KR100988582B1

KR100988582B1 - 스팀 터빈

Info

Publication number: KR100988582B1
Application number: KR1020080001921A
Authority: KR
Inventors: 정양호
Original assignee: 더블유비엠과학기술 주식회사
Priority date: 2008-01-07
Filing date: 2008-01-07
Publication date: 2010-10-18
Also published as: KR20090076158A

Abstract

본 발명은 스팀 터빈에 관한 것으로, 일렬의 노즐판과, 일렬의 회전체로 구성되는 터빈 단을 케이싱의 내부에 다단으로 이격 설치하여 고압증기의 열에너지를 여러 단의 에너지로 변환시키므로 고출력을 얻을 수 있도록 하며, 아울러 각 단의 직경 확장을 통해 각 단이 속하는 증기통로의 체적을 증기의 배출방향 쪽으로 갈수록 순차적으로 증가되도록 구성함으로써 각 단의 노즐판에서 분사되는 증기 압력이 낮아져도 각각의 회전체의 회전력을 동일하게 유지시켜 고압 증기에 의한 열에너지를 회전운동 에너지로의 변환효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 노즐판을 터빈축과 별개의 반원형의 분리 구조로 구성하고 이 노즐판이 결합 고정되는 하우징을 상하가 분리 가능한 구조로 구성함을 통해 필요에 따라 분해 조립의 간편성을 기할 수 있도록 하여 유지 보수 등 취급의 편의성을 도모할 수 있도록 하며, 아울러 터빈 축에 결합되는 노즐판의 내측면에는 반원형의 스팀밀봉구를 삽착시켜 터빈축을 통한 스팀압력의 누설을 방지시킴과 아울러 노즐판의 외측면은 온도에 따른 팽창과 수축을 통해 하우징의 내면에 요입 구성되는 설치홈에 일체로 결합 설치되도록 하여 노즐판 고정구조의 단순화와 조립 작업의 편의성을 기할 수 있도록 한 것이다.

스팀 터빈, 발전기, 회전체, 회전유도날개, 라이너.

Description

스팀 터빈{THE STEAM TURBINE}

본 발명은 보일러 시스템에 의한 고압증기 또는 유압 장치 등의 압력발생장치에서 발생되는 작동유체를 작동 에너지로 사용할 수 있는 스팀 터빈에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 고온, 고압의 증기를 분출, 팽창시켜 증기 흐름을 가속시키기 위한 일렬의 노즐판과, 상기 노즐판과 대응 작동되며 노즐공에서 분사되는 증기 압력의 접촉 반동을 이용하여 터빈 축을 회전시켜 주는 일렬의 회전체로 구성되는 터빈 단을 케이싱의 내부에 다단으로 이격 설치하여 고압증기의 열에너지를 여러 단의 회전운동 에너지로 변환시켜 고출력을 얻을 수 있도록 하며, 아울러 각 단의 직경 확장을 통해 각 단이 속하는 증기통로의 체적을 증기의 배출방향 쪽으로 갈수록 순차적으로 증가되도록 구성함으로써, 각 단을 통과하면서 팽창되는 증기의 부피증가(압력감소)에도 각 단의 노즐판에서 분사되는 증기 압력에 의한 원판형 회전체의 회전력이 동일하게 유지될 수 있도록 하여 회전운동 에너지로의 변환효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 노즐판을 터빈축과 별개의 반원형의 분리 구조로 구성하고 이 노즐판이 결합 고정되는 하우징을 상하가 분리 가능한 구조로 구성함을 통해 필요에 따라 분해 조립의 간편성을 기할 수 있도록 하여 유지 보수 등 취급의 편의성을 도모할 수 있도록 하며, 아울러 터빈 축에 결합되는 노즐판의 내측면에는 반 원형의 스팀 밀봉구를 삽착시켜 터빈축을 통한 스팀압력의 누설을 방지시킴과 아울러 노즐판의 외측면은 온도에 따른 팽창과 수축을 통해 하우징의 내면에 요입 구성되는 설치홈에 일체로 결합 설치되도록 하여 노즐판 고정구조의 단순화와 조립 작업의 편의성을 기할 수 있도록 한 것이다.

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

이러한 종래의 증기 터빈의 대략적인 구조는 터빈 하우징 내에 설치된 터빈 회전축의 길이방향에 외주연에 회전유도날개를 둔 회전체를 일체로 식설(植設)시키고, 이 회전체와 쌍을 이루도록 하우징 내면에 일체로 성형되는 플랜지 형의 노즐판으로 이루어지는 1열의 터빈 단을 구비하도록 되어 있다.

또한, 상기 증기터빈의 하우징은 필요에 따라 내부를 손쉽게 열고 닫을 수 없는 단일 구조로 되어 있다.

이러한 상기 종래의 증기 터빈은 1열의 터빈 단으로 구성되어 회전유도날개의 회전수가 높아 대형화할 수 없으므로 주로 소형 터빈에만 적용되고 고압증기의 열에너지를 회전운동 에너지로 변환시키는 효과가 미약하여 고출력을 기대할 수 없 어 그 사용이 제한되는 문제가 있었다.

또한, 노즐판이 단일한 구조의 원형 플랜지 타입으로 구성되어 터빈 하우징의 내면에 일체로 성형되는 것이므로 제조가 까다롭고 제조원가가 상승되는 문제가 있으며, 터빈 하우징 또한 단일 몸체로 구성되는 것이어서 고장 수리 또는 부품의 교체 등 유지 보수 시 분해 조립에 많은 시간과 인력을 소모하게 되는 구조상의 불합리성을 가지고 있었다.

또한, 노즐판의 내측단에 별도의 실링수단이 없이 단지 터빈 축과 비 접촉 상태에서 긴밀하게 결합되도록 한 구조이어서 작동 시 고압의 증기가 터빈 축의 표면을 타고 축 방향으로 누설되어 회전력의 저하를 초래하는 문제도 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고압증기의 열에너지를 여러 단의 회전운동 에너지로 변환시키도록 하여 고출력을 얻을 수 있도록 하며, 아울러 각 단의 노즐판에서 분사되는 증기 압력이 낮아져도 각각의 회전판의 회전력을 동일하게 함으로써, 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 스팀 터빈을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 필요에 따라 분해 조립의 간편성을 기할 수 있도록 하여 유지 보수 등 취급의 편의성을 도모하고, 고압 스팀압력의 누설을 방지할 수 있으며, 노즐판 고정구조의 단순화와 조립 작업의 편의성을 기할 수 있는 스팀 터빈을 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스팀 터빈은 일측 하부에 증기 유입관을 구비하며 상하로 분리 구성되는 전방 상, 하부 케이스와, 상기 전방 상, 하부 케이스와 횡으로 체결 구성되며 상하로 분리 구성되는 후방 상, 하부 케이스를 포함하는 터빈 하우징과; 상기 후방 상, 하부 케이스의 내부에 반원형으로 요입 구성되고 소정 폭의 등 간격으로 이격되는 다단의 설치홈과; 상기 전방 상, 하부 케이스의 내부에 착탈 가능하게 체결 고정되며 상, 하 한 쌍의 반원형으로 구성되어 조립되며 원호를 따라 다수의 노즐공이 천공된 제 1노즐판과; 상, 하 한 쌍의 반원형으로 구성되어 조립되며 상기 각 단의 설치홈에 외측단이 결합 고정되며 원호를 따라 다수의 노즐공을 구비하는 다수의 노즐판과; 상기 다수의 노즐판이 각각 수용되는 상태로 상기 후방 상, 하부 케이스의 내부에 다단으로 구획 구성되며 증기의 배출 방향 쪽으로 순차적으로 증가되는 체적 공간을 갖는 다단의 증기통로와; 터빈 축에 일체로 결합 고정된 상태에서 상기 제 1노즐판 및 상기 다수의 노즐판과 미세 간격으로 근접되게 이격 설치되고 외측단에 다수의 회전유도날개를 등간격으로 배설한 다단의 원판형 회전체를 각각 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 스팀 터빈에 있어서, 상기 다수의 노즐판의 외측단과 후방 상, 하부 케이스의 설치홈들을 각각 결합시킴에 있어, 상기 다수의 노즐판은 냉각하여 수축시키고, 후방 상, 하부 케이스는 가열하여 팽창시켜 결합시킨 후, 상호 결합된 상기 다수의 노즐판과 후방 상, 하부 케이스의 온도를 상온으로 복귀시켜 결합된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 스팀 터빈에 있어서, 상기 각 단의 설치홈은 증기의 배출방향 쪽으로 순차적으로 직경이 확장되는 크기를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 스팀 터빈에 있어서, 상기 다단의 원판형 회전체에 배 설된 다수의 회전유도날개는 증기의 배출 방향 쪽으로 설치된 원판형 회전체에 배설된 회전유도날개가 증기 유입관 쪽에 설치된 원판형 회전체에 배설된 회전유도날개보다 더 큰 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 스팀 터빈에 있어서, 상기 다수의 노즐판과 상기 터빈 축 사이는 상기 다수의 노즐판의 내측면에 요입 설치되는 반원형의 설치요홈에 반원형의 스팀 밀봉구가 각각 끼워진 상태에서 터빈 축의 외주면에 밀착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 스팀 터빈에 있어서, 상기 제 1노즐판과 상기 다수의 노즐판에 천공된 각각의 노즐공 사이의 간격은 동일한 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 본 발명은 고압증기의 열에너지를 여러 단의 속도에너지로 변환시킬 수 있어 고출력을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 각 단의 체적을 순차적으로 증가되도록 하여 각 노즐판에서 분사되는 증기 압력이 균일하게 유지시킴으로써, 각 단의 회전력의 일치를 통해 발전효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 한 쌍으로 분리 구성되는 노즐판과 터빈 하우징을 통해 분해 조립의 간편성을 기할 수 있어 유지 보수 등 취급의 편의성을 도모할 수 있는 효과가 있다.

또한, 스팀 밀봉구를 통해 스팀압력의 누설을 방지할 수 있으며, 온도에 따른 팽창과 수축을 통해 노즐판을 터빈 하우징에 고정할 수 있게 됨으로써, 노즐판 고정구조의 단순화와 조립 작업의 편의성을 기할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스팀 터빈의 적용상태를 보이는 정면 예시도이고, 도 2는 도 1의 요부 확대도이고, 도 3은 본 발명에 따른 스팀 터빈에 적용되는 터빈 하우징의 분리 단면 예시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 스팀 터빈에 적용되는 제 1노즐판의 분리도 및 분리 정면 예시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 스팀 터빈에 적용되는 다른 노즐판의 분리도 및 분리 정면 예시도이며, 도 6은 본 발명에 따른 스팀 터빈에 적용되는 스팀 밀봉구의 실시예를 보이는 요부 단면도이다.

본 발명에 따른 스팀 터빈의 하우징(10)은 도 3에 도시된 바와 같이 전방 상, 하부 케이스(11A)(11B)와, 후방 상, 하부 케이스(12A)(12B)로 이루어져 각기 보울트를 통해 분해 조립이 가능하게 구성된다.

하우징(10)의 전방 상, 하부 케이스(11A)(11B)의 내부에는 도 4에도시된 바와 같이 반 원호를 따라 다수의 노즐공(20')을 천공한 상, 하 한 쌍의 반원형의 제 1노즐판(20)이 원형으로 조립되어 보울트를 통해 착탈 가능하게 체결 고정되며, 전방 상, 하부 케이스(11A)(11B)의 내부에는 도 2에 도시된 바와 같이 증기유입관(14)을 통해 외부에서 유입되는 고온 고압의 증기가 유입된다.

전방 상, 하부 케이스(11A)(11B)와 체결되는 후방 상, 하부 케이스(12A)(12B)의 내부에는 체결면에서 멀어지는 방향 즉, 증기배출관(15) 쪽으로는 직경이 확장되고 일정 등간격으로 이격되는 다단의 노즐판(21)(22)(23)을 설치하는 설치홈(13)을 마련한다.

도 2에 도시된 바와 같이 각 단의 설치홈(13)에는 해당 설치홈의 직경에 일치하고 역시 반 원호를 따라 다수의 노즐공(20')을 구비하는 다수의 노즐판(21)(22)(23)의 외측단을 끼워 고정하게 되며, 이로 인해 각 노즐판(21)(22)(23)이 수용되는 각 단의 고압 증기통로(21')(22')(23')는 체결면에서 멀어지는 방향으로 갈수록 그 공간이 넓어진다.

또한, 각 노즐판(21)(22)(23)의 내측면에는 도 6에 도시된 바와 같이 반원형의 설치요홈(24)을 두고 이에 반원형의 스팀 밀봉구(25)를 삽착시켜 후술하는 터빈 축(S)의 외주면에 밀착되어 기밀작용을 할 수 있도록 한다.

상기에서 노즐판(21)(22)(23)의 외측단과 후방 상, 하부 케이스(12A)(12B)의 설치홈(13)과의 결합은 별도의 체결 고정부재의 사용 없이 상기 노즐판(21)(22)(23)은 냉각하여 수축시키고, 후방 상, 하부 케이스(12A)(12B)는 터빈의 운전시의 온도보다 높게 가열하여 팽창시킴으로써, 노즐판(21)(22)(23)의 외측단을 후방 상, 하부 케이스(12A)(12B)의 각 설치홈(13)에 간편하게 결합시킨 상태에서 상호 결합된 노즐판(21)(22)(23)과 후방 상, 하부 케이스(12A)(12B)의 온도가 상온으로 복귀되도록 충분한 시간동안 방치시켜 두면 냉각되었던 각 노즐판(21)(22)(23)은 상온으로 복귀되면서 팽창되고, 가열되었던 후방 상, 하부 케이스(12A)(12B)는 상온으로 복귀되면서 수축되어 각 노즐판(21)(22)(23)이 후방 상, 하부 케이스(12A)(12B)의 각 설치홈(13)내에 견고하고 강력하게 결합된다.

한편, 상기 체결 조립된 전방 상, 하부 케이스(11A)(11B)와 후방 상, 하부 케이스(12A)(12B)의 터빈 하우징(10)의 내부에는 터빈축(S)이 회전 가능하게 설치 되며, 터빈축(S)에는 제 1노즐판(20) 및 나머지 노즐판(21)(22)(23)과 미세 간격으로 근접되게 이격 설치되고 외측단에 다수의 회전유도날개(34)를 등간격으로 배설한 다단의 원판형 회전체(30)(31)(32)(33)를 일체로 결합 고정하여 제 1노즐판(20)과 각 노즐판(21)(22)(23)에서 분사되는 증기 압력을 통해 원판형 회전체(30)(31)(32)(33)가 회전되도록 하고 그 회전력을 통해 터빈축(S)이 함께 회전되도록 한다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 스팀 터빈은 체결 보울트를 풀면 전방 상, 하부 케이스(11A)(11B)와 후방 상, 하부 케이스(12A)(12B)를 분리시킬 수 있으므로 상하가 분리된 반원형의 각 노즐판(20)(21)(22)(23)을 외부로 분리시켜 낼 수 있어 고장 수리 또는 부품의 교체 등 유지 보수시 편의성을 도모할 수 있게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이 전방 상, 하부 케이스(11A)(11B)의 증기유입관(14)을 통해 외부에서 고온 고압의 증기가 유입되는 스팀은 1차적으로 제 1노즐판(20)의 노즐공(20')을 통해 첫 번째의 원판형 회전체(30)로 분사되고 이 분사 증기는 원판형 회전체(30)의 회전유도날개(34)에 접촉, 통과하면서 반동력으로 원판형 회전체(30)에 회전력을 부여한 후 팽창되어 다음 단의 노즐판(21)이 있는 증기통로(21')로 유입되어 상기와 동일하게 노즐판(21)의 노즐공(20')을 통해 두 번 째의 원판형 회전체(31)로 분사되고 이에 접하는 원판형 회전체(31)의 회전유도날개(34)에 접촉, 통과하면서 반동력으로 원판형 회전체(30)에 회전력을 부여하게 된다.

상기 첫 번째 단과 두 번째 단의 원판형 회전체에서의 회전동작 이후에도 고 압증기는 증기통로(22')(23')를 거쳐 증기 배출관(15)으로 배출되면서 끝단의 노즐판(23)까지 순차적으로 반복되면서 터빈축(S)을 회전시키게 된다.

여기서 두 번째 단의 원판형 회전체(31)의 회전유도날개(34)는 첫 번째 단의 원판형 회전체(30)의 회전유도날개(34)보다 크고, 다음 단의 원판형 회전체의 회전유도날개(34)는 이전 단의 원판형 회전체의 회전유도날개(34)보다 크도록 즉, 고압 증기의 압력이 낮아질수록 회전유도날개(34)가 커지게 된다.

이러한 회전유도날개(34)의 크기 변화는 각 증기통로(21')(22')(23')의 공간이 일정 비율로 커지게 구성됨으로써, 각 노즐판(21)(22)(23)을 통과하면서 팽창되는 증기의 부피증가(압력저하)에도 불구하고 회전유도날개(34)의 크기가 커짐에 따라 각 증기통로(21')(22')(23')에서 점점 낮아지는 고압 증기의 압력에 의해서도 각각의 원판형 회전체의 회전력이 동일하게 유지될 수 있다.

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 발명에 따른 스팀 터빈의 적용상태를 보이는 정면 예시도.

도 2는 도 1의 요부 확대도.

도 3은 본 발명에 따른 스팀 터빈에 적용되는 터빈 하우징의 분리 단면 예시도.

도 4는 본 발명에 따른 스팀 터빈에 적용되는 제 1노즐판의 분리도 및 분리 정면 예시도.

도 5는 본 발명에 따른 스팀 터빈에 적용되는 다른 노즐판의 분리도 및 분리 정면 예시도.

도 6은 본 발명에 따른 스팀 터빈에 적용되는 스팀 밀봉구의 요부 단면도.

〈 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 〉

10 : 터빈 하우징 11A, 11B : 전방 상, 하부 케이스

12A, 12B : 후방 상, 하부 케이스 13 : 설치홈

14 : 증기 유입관 20 : 제 1노즐판

20' : 노즐공 21, 22, 23 : 노즐판

21', 22', 23' : 증기통로 24 : 설치요홈

25 : 스팀 밀봉구 30, 31, 32, 33 : 회전체

34 : 회전유도날개

Claims

일측 하부에 증기 유입관을 구비하며 상하로 분리 구성되는 전방 상, 하부 케이스와, 상기 전방 상, 하부 케이스와 횡으로 체결 구성되며 상하로 분리 구성되는 후방 상, 하부 케이스를 포함하는 터빈 하우징과;

상기 후방 상, 하부 케이스의 내부에 반원형으로 요입 구성되고 소정 폭의 등 간격으로 이격되는 다단의 설치홈과;

상기 전방 상, 하부 케이스의 내부에 착탈 가능하게 체결 고정되며 상, 하 한 쌍의 반원형으로 구성되어 조립되며 원호를 따라 다수의 노즐공이 천공된 제 1노즐판과;

상, 하 한 쌍의 반원형으로 구성되어 조립되며 상기 각 단의 설치홈에 외측단이 결합 고정되며 원호를 따라 다수의 노즐공을 구비하는 다수의 노즐판과;

상기 다수의 노즐판이 각각 수용되는 상태로 상기 후방 상, 하부 케이스의 내부에 다단으로 구획 구성되며 증기의 배출 방향 쪽으로 순차적으로 증가되는 체적 공간을 갖는 다단의 증기통로와;

터빈 축에 일체로 결합 고정된 상태에서 상기 제 1노즐판 및 상기 다수의 노즐판과 미세 간격으로 근접되게 이격 설치되고 외측단에 다수의 회전유도날개를 등간격으로 배설한 다단의 원판형 회전체를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀 터빈.
제 1항에 있어서,

상기 다수의 노즐판의 외측단과 후방 상, 하부 케이스의 설치홈들을 각각 결합시킴에 있어, 상기 다수의 노즐판은 냉각하여 수축시키고, 후방 상, 하부 케이스는 가열하여 팽창시켜 결합시킨 후, 상호 결합된 상기 다수의 노즐판과 후방 상, 하부 케이스의 온도를 상온으로 복귀시켜 결합된 것을 특징으로 하는 스팀 터빈.
제 1항에 있어서,

상기 각 단의 설치홈은 증기의 배출방향 쪽으로 순차적으로 직경이 확장되는 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 스팀 터빈.
제 1항에 있어서,

상기 다단의 원판형 회전체에 배설된 다수의 회전유도날개는 증기의 배출 방향 쪽으로 설치된 원판형 회전체에 배설된 회전유도날개가 증기 유입관 쪽에 설치된 원판형 회전체에 배설된 회전유도날개보다 더 큰 것을 특징으로 하는 스팀 터빈.
제 1항에 있어서,

상기 다수의 노즐판과 상기 터빈 축 사이는 상기 다수의 노즐판의 내측면에 요입 설치되는 반원형의 설치요홈에 반원형의 스팀 밀봉구가 각각 끼워진 상태에서 터빈 축의 외주면에 밀착되는 것을 특징으로 하는 스팀 터빈.
제 1항에 있어서,

상기 제 1노즐판과 상기 다수의 노즐판에 천공된 각각의 노즐공 사이의 간격은 동일한 것을 특징으로 하는 스팀 터빈.