KR101014151B1

KR101014151B1 - 증기 터빈

Info

Publication number: KR101014151B1
Application number: KR1020087012683A
Authority: KR
Inventors: 카이 비그하르트
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2006-10-24
Publication date: 2011-02-14
Also published as: DE502006005550D1; JP2009513866A; CN101300405B; ES2336610T3; US8128341B2; CN101300405A; RU2008121935A; PL1945911T3; EP1945911B1; WO2007051733A1; ATE450693T1; RU2410545C2; EP1945911A1; JP4662570B2; KR20080068893A; EP1780376A1; US20090185895A1

Abstract

본 발명은 케이싱(2, 3)을 구비하는 증기 터빈으로서, 상기 케이싱(2, 3) 내부에 추력 보상 피스톤(4)을 갖는 터빈 샤프트(5)가 회전 장착 식으로 배치되어, 회전 축선(6)을 따라 지향되고, 상기 케이싱(2, 3)과 상기 터빈 샤프트(5) 사이에 유동 통로(9)가 형성되며, 상기 터빈 샤프트가 상기 터빈 샤프트의 내부에 상기 회전 축선(6)의 방향으로 냉각 증기를 안내하기 위한 냉각 라인(17)을 갖고, 상기 냉각 라인(17)의 일 측면이 상기 유동 통로(9)로부터 상기 냉각 라인(17) 내부로의 냉각 증기의 유입을 위한 하나 이상의 유입 라인(16)에 연결되며, 상기 냉각 라인(17)의 타 측면이 추력 보상 피스톤의 측방향 표면(19) 상으로 냉각 증기를 지향시키기 위한 하나 이상의 배출 라인(18)에 연결되는 증기 터빈에 관한 것이다. 본질적인 양태는 추력 보상 피스톤의 측방향 표면(19) 상으로 방출되는 냉각 증기가 생증기(live steam)의 일부와 혼합되어, 상기 케이싱(2, 3) 내에 배치된 반환 라인을 통해 상기 배출 라인(18) 내부로 다시 지향되는 것이다. 그 결과, 증기 터빈(1)의 열 응력이 가해진 영역이 효과적으로 냉각될 수 있다.

Description

증기 터빈{STEAM TURBINE}

본 발명은 케이싱을 구비한 증기 터빈으로서, 케이싱 내부에 추력 보상 피스톤을 갖는 터빈 샤프트가 회전 장착식으로 배치되어, 회전 축선을 따라 배치되고, 케이싱과 터빈 샤프트 사이에 유동 통로가 형성되며, 터빈 샤프트가 터빈 샤프트의 내부에 회전 축선의 방향으로 냉각 증기를 안내하기 위한 냉각 라인을 갖고, 냉각 라인이 유동 통로로부터 냉각 라인 내부로의 냉각 증기의 유입을 위한 하나 이상의 유입 라인에 연결되는 증기 터빈에 관한 것이다.

고압 및 고온에서 증기를 사용하면 증기 터빈의 효율 증가에 도움이 된다. 이러한 증기 조건으로 인해 증기를 사용하면 상응하는 증기 터빈에 대한 요구 사항이 증가된다.

증기 형태의 작동 매체의 관류에 노출되는 터빈 또는 터빈 섹션은 각각 본 명세서의 의미에서의 증기 터빈으로 이해된다. 이에 반해, 가스 터빈은 작동 매체로서의 가스 및/또는 공기에 의해 관류에 노출되지만, 가스 터빈은 스팀 터빈의 경우의 증기와 완전히 상이한 온도 및 압력을 조건으로 한다. 가스 터빈과 달리, 예를 들면 증기 터빈의 경우 터빈 섹션으로 유동하는 작동 매체는 최고온을 갖는 동시에 최고압을 갖는다. 따라서 가스 터빈의 경우에서와 같이 개방형 냉각 시스템 은 외부 공급(external feed) 없이 구현될 수 없다.

통상적으로 증기 터빈은 회전식으로 장착된 로터를 포함하고, 로터는 블레이드를 구비하며 케이싱 외피 내부에 배치된다. 케이싱 외피에 의해 형성되는 유동 공간이 가열된 고압 증기를 갖는 관류에 노출되는 경우, 로터는 블레이드를 매개로 하여 증기에 의해 회전식으로 조정된다. 또한, 로터상에 부착되는 블레이드는 로터 블레이드로서 지칭된다. 또한, 로터 블레이드들의 사이 공간 내에 결합되는 정지 스테이터 블레이드가 통상적으로 케이싱 외피 상에 부착된다. 스테이터 블레이드는 증기 터빈 케이싱의 내측을 따르는 제 1 지점에 통상적으로 장착된다. 이 경우, 통상적으로 스테이터 블레이드는 다수의 스테이터 블레이드를 포함하는 스테이터 블레이드 링의 일부분이며, 스테이터 블레이드는 증기 터빈 케이싱의 내측면 상의 내주면을 따라 배치된다. 이 경우, 각각의 스테이터 블레이드는 자신의 블레이드 날개가 방사상 내측을 가리킨다. 축방향 범위를 따르는 한 지점의 스테이터 블레이드 링은 스테이터 블레이드 열(stator blade row)로도 지칭된다. 다수의 스테이터 블레이드 열은 통상적으로 서로 순차적으로 배열된다.

냉각은 효율을 증가시키는데 중요한 역할을 한다. 증기 터빈 케이싱을 냉각시키기 위한 기존에 공지된 냉각 매체 방법으로 인해, 능동 냉각(active cooling)과 수동 냉각(passive cooling) 사이에는 차이점이 형성될 것이다. 능동 냉각을 이용하면, 냉각은 증기 터빈 케이싱에 별도로, 즉, 작동 매체 외에, 공급되는 냉각 매체에 의해 이루어진다. 반대로, 수동 냉각은 작동 매체의 사용 또는 적합한 안내에 의해 단순하게 실행된다. 증기 터빈 케이싱의 통상적인 냉각은 수동 냉각에 제한된다. 따라서, 예를 들면 증기 터빈의 내부 케이싱을 저온의 이미 팽창된 증기를 이용하여 유동 세정(flow-wash)하는 것은 공지되어 있다. 그러나 이러한 유동 세정은 내부 케이싱 벽에 걸친 온도차가 제한된 상태로 유지되어야 하는 단점을 갖는데, 이는 그렇지 않을 경우에 너무 큰 온도차로 인해 내부 케이싱이 열적으로 너무 많이 변형될 것이기 때문이다. 내부 케이싱을 유동 세정하는 동안, 열 소산이 분명히 발생하지만, 이러한 열 소산은 열 입력 지점에서 비교적 먼 곳에서 발생한다. 열 입력과 바로 인접한 열 소산은 이전에는 충분한 정도로 실행되지 않았다. 추가의 수동 냉각이 이른바 경사 단(diagonal stage)에서 작동 매체의 적합한 팽창 디자인에 의해 이루어질 수 있다.

그러나 이러한 수동 냉각에 의해서는 케이싱에 매우 제한된 냉각 효과만이 얻어질 수 있다.

증기 터빈에 회전식으로 장착되는 증기 터빈 샤프트는 작동중에 열적으로 매우 큰 응력이 가해진다. 증기 터빈 샤프트의 개발 및 생산은 비용 및 시간이 많이 소모된다. 증기 터빈 샤프트는 증기 터빈의 가장 고가의 부품이며 가장 높은 응력을 받는 부품으로 생각된다. 이는 점점 더 높은 증기 온도에 적용된다.

때때로 증기 터빈 샤프트의 높은 질량으로 인해, 이들 증기 터빈 샤프트는 열적으로 동작이 느리며, 이는 터빈 발전기 세트의 열적 부하 변화중에 부정적인 영향을 미친다. 이는 부하 변화에 대한 전체 증기 터빈의 반응이, 열적으로 변화된 조건에 반응할 수 있는 증기 터빈 샤프트의 속도에 매우 크게 좌우됨을 의미한다. 시간 소모적이며 고가인 증기 터빈 샤프트를 모니터링 하기 위한 기준에 따라 온도가 모니터링된다.

증기 터빈 샤프트의 한가지 특징은 증기 터빈 샤프트가 필수적인 히트 싱크(heat sink)를 갖지 않는 점이다. 따라서, 증기 터빈 샤프트 상에 배열되는 로터 블레이드의 냉각이 어려움을 입증한다.

열 응력에 대한 증기 터빈 샤프트의 적응을 향상시키기 위해, 증기 터빈 샤프트를 유입 영역에서 중공형으로 형성하거나, 증기 터빈 샤프트를 중공 샤프트로서 형성하는 것이 공지되어 있다. 일반적으로 이들 공동은 폐쇄되어 공기로 채워진다.

그러나 대체로 원심력으로부터의 접선 응력으로 이루어지며 작동중에 발생하는 높은 응력은 전술한 증기 터빈 중공 샤프트에 불리하게 작용한다. 이들 응력은 상응하는 중실 샤프트의 경우에 발생하는 응력보다 약 2배만큼 크다. 이는 중공 샤프트의 재료 선택에 많은 영향을 미치며, 이로 인해 중공 샤프트가 고도의 증기 조건에 대해 적합하지 않게 되거나 실현 가능하지 않게 될 수 있다.

가스 터빈 구조에서 박벽식 용접 구조(thin-walled welded constructions)로서 공냉식 중공 샤프트(air-cooled hollow shafts)를 구성하는 것은 공지되어 있다. 특히, 이른바 히르트 치형(Hirth toothing)을 통해 디스크로 가스 터빈 샤프트를 형성하는 것이 공지되어 있다. 이들 가스 터빈 샤프트는 이를 위해 중앙 타이 볼트(central tie-bolt)를 갖는다.

그러나 일반적으로 가스 터빈에서의 냉각 원리를 증기 터빈 구조로 직접 전환하는 것은 불가능한데, 이는 증기 터빈이 가스 터빈과 달리 폐쇄 시스템으로서 작동되기 때문이다. 이로 인해 작동 매체가 회로 내에 위치되어 환경으로 방출되지 않는 것이 이해되어야 한다. 본질적으로 공기와 배기 가스로 이루어진, 가스 터빈에서 사용되는 작동 매체는 가스 터빈의 터빈 유닛을 통과한 후에 환경으로 방출된다.

또한, 증기 터빈은 가스 터빈과 달리 압축기 유닛을 갖지 않으며, 또한 증기 터빈의 샤프트는 일반적으로 방사상으로만 접근 가능하다.

약 600℃의 증기 유입구 온도를 갖는 증기 터빈은 1950년대에 개발 및 조립되었다. 이들 증기 터빈은 방사상 블레이딩(blading)을 갖는다. 오늘날 증기 터빈 구조의 공지 기술은 경사 단 또는 조정 단(governing stages)의 형태로 제 1 스테이터 블레이드 열의 방사상 배열을 갖는 샤프트 냉각 시스템을 포함한다. 그러나 이러한 실시예에서 이들 경사 단 또는 조정 단의 느린 냉각 작용은 불리하다.

증기 터빈 샤프트에서 피스톤 영역과 유입구 영역은 특히 열적으로 부하가 걸린다. 추력 보상 피스톤의 영역은 피스톤 영역으로 이해되어야 한다. 추력 보상 피스톤은 작동 매체에 의해 생성된 힘이 일 방향에서는 샤프트 상에서 발달되고, 대향하는 힘이 대향 방향에서 발달되도록 증기 터빈 내에서 작용한다.

증기 터빈 샤프트의 냉각은 특히 EP 0 991 850 B1에서 설명된다. 이 경우, 소형 또는 고압 및 중간 압력의 터빈 섹션은 샤프트 내의 연결부에 의해 구성되며, 이러한 터빈 섹션을 통해 냉각 매체가 유동할 수 있다. 이로 인해, 2개의 서로 상이한 팽창 섹션 사이에 제어 가능한 바이패스가 형성될 수 없는 점이 불리한 것으로 생각된다. 또한, 가변 부하 작용중에 문제가 있을 수 있다.

고온에 적합한 증기 터빈을 형성하는 것이 바람직할 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 높은 증기 온도에서 작동될 수 있는 증기 터빈을 개시하는 것이다.

이 목적은, 케이싱을 구비하는 증기 터빈으로서, 추력 보상 피스톤을 갖는 터빈 샤프트가 상기 케이싱 내부에 회전 장착 식으로 배치되어, 회전 축선을 따라 배치되고, 상기 케이싱과 상기 터빈 샤프트 사이에 유동 통로가 형성되며, 상기 터빈 샤프트가 상기 터빈 샤프트의 내부에 상기 회전 축선의 방향으로 냉각 증기를 안내하기 위한 냉각 라인을 갖고, 상기 냉각 라인의 일 측면이 상기 유동 통로로부터 상기 냉각 라인 내부로의 냉각 증기의 유입을 위한 하나 이상의 유입 라인에 연결되며, 상기 냉각 라인의 타 측면이 상기 추력 보상 피스톤의 생성 표면상으로 냉각 증기를 안내하기 위한 하나 이상의 배출 라인에 연결되는, 증기 터빈에 의해 달성된다.

유리한 개발예에서 증기 터빈은 냉각 증기와 보상 피스톤 누출 증기로부터 형성되는 혼합 증기의 반환을 위한 반환 라인으로 형성되며, 상기 반환 라인은 상기 유동 통로 내부로 통한다.

따라서, 증기 터빈 샤프트를 갖는 증기 터빈이 제안되며, 증기 터빈 샤프트는 작동중에 각 경우에 고온 영역에서 중공형이며, 내부 냉각을 제공한다. 본 발명은 작동중에 팽창된 증기가 샤프트의 내부를 통해 보상 피스톤으로 안내되어 그곳에서 열적으로 큰 응력이 가해진 보상 피스톤을 냉각시키는 양태에 기초한다. 제안된 냉각 능력으로 인해, 특히 보상 피스톤을 갖는 이들 증기 터빈 샤프트가 냉각될 수 있다. 이들 증기 터빈 샤프트는 예를 들면 고압 섹션, 중간압 섹션, 및 또한 K-터빈 섹션이 될 것이며, 하나의 증기 터빈 샤프트 상에 위치되는 고압 및 중간압 터빈 섹션을 갖는 소형 터빈 섹션이 K-터빈 섹션으로 이해되어야 한다. 본 발명의 이점은 특히 한편으로는 크리프 안정성(creep stability)을 갖고 형성될 수 있으며, 다른 한편으로는 열적 부하에 대하여 유연하게 반응하는 증기 터빈 샤프트에서 볼 수 있다. 부하 변화 중에, 예를 들면 더 높은 열적 부하가 발생할 수 있는 동안, 냉각은 샤프트의 열적 부하를 궁긍적으로 감소시킨다. 특별히 이는 유입구 영역 또는 보상 피스톤과 같이 특히 열적으로 부하가 걸리는 영역에 적용된다.

이 경우, 본 발명은 냉각 증기가 보상 피스톤 누출 증기와 혼합되고, 이렇게 형성된 혼합 증기가 유동 통로로 다시 공급되어 그곳에서 추가의 작업을 실행하는 양태로부터 시작한다. 그 결과 증기 터빈의 효율이 증가한다.

따라서, 증기 터빈의 퀵 스타팅(quick starting)이 가능하며, 이는 시대에 맞추어 동력을 빠르게 이용할 수 있도록 하는 것이 중요한 특정 양태를 나타낸다. 또한, 샤프트 모니터링을 위한 비용이 절감될 수 있는 점으로 인해 본 발명에 따른 증기 터빈에 의한 이점이 생성된다. 중공형 증기 터빈 샤프트는 중실형 샤프트에 비해 더 작은 질량 및 또한 결과적으로 중실형 샤프트에 비해 더 낮은 열용량을 가지며, 또한 더 큰 유동 세정 표면을 갖는다. 이 결과, 증기 터빈 샤프트의 신속한 워밍업이 가능하다.

본 발명의 다른 양태는 증기 터빈 샤프트에 사용되는 재료의 크리프 파괴 강도(creep rupture strength)가 개선된 냉각의 결과로서 증가되는 것이다. 이 경우, 크리프 파괴 강도는 중실형 샤프트에 비해 2배 만큼 더 크게 증가될 수 있어서, 전술된 응력 증가가 과잉보상된다. 이로 인해 증기 터빈 샤프트의 적용 범위가 넓어지게 된다.

본 발명의 다른 양태는 방사상 원심력의 결과로서 확대되는 중공형 샤프트의 직경에 의해 방사상 간극이 감소될 수 있는 것이다. 방사상 원심력은 속도의 제곱에 비례한다. 결과적으로 속도의 증가는 방사상 간극의 감소를 일으키며, 이는 증기 터빈의 전체 효율의 증가를 가져온다.

본 발명의 다른 양태는 중공형 샤프트가 저렴하게 생산될 수 있는 것이다.

유리한 개발예에서, 케이싱은 내부 케이싱과 외부 케이싱을 포함한다. 중간압 및 소형 터빈 섹션뿐 아니라 고압 터빈 섹션은 열적으로 극도로 높은 부하가 걸릴 수 있는 증기 터빈의 일부분이다. 일반적으로, 고압 섹션, 중간압 섹션, 및 또한 소형 터빈 섹션은 스테이터 블레이드가 배열되는 내부 케이싱, 및 내부 케이싱 주위에 배열되는 외부 케이싱으로 형성된다.

유리한 개발예에서, 터빈 샤프트는 축방향으로 서로 상이한 재료로 이루어진 2개 이상의 섹션을 갖는다.

따라서, 비용이 절약될 수 있다. 일반적으로 열적으로 부하가 걸린 영역에는 고급 재료가 사용된다.

예를 들면, 열적으로 부하가 걸리는 영역에 10% 크롬강이 사용될 수 있는 반면, 더 낮은 열적 부하 영역에는 1% 크롬강이 사용될 수 있다.

터빈 샤프트는 편의상 축방향으로 서로 상이한 재료로 이루어진 3개의 섹션을 갖는다. 특히 2개의 외부 섹션은 동일한 재료로 이루어진다. 결과적으로, 적합한 재료는 열적 부하가 가변하는 증기 터빈 샤프트의 각각의 섹션에 대해 의도적으로 선택될 수 있다.

서로 상이한 재료로 이루어진 섹션들은 유리하게 서로 용접된다. 용접의 결과 안정적인 터빈 샤프트가 형성된다.

다른 유리한 대안적 실시예에서, 서로 상이한 재료로 이루어진 섹션들은 히르트 치형에 의해 상호 연결된다. 히르트 치형의 본질적인 이점은 터빈 샤프트의 특히 높은 열적 유연성이다. 다른 이점은 일반적으로 히르트 치형으로 인해 터빈 샤프트가 빠르게 제조될 수 있는 점이다. 또한, 터빈 샤프트가 저렴하게 형성될 수 있다.

다른 유리한 개발예에서, 2개의 외부 섹션은 중실형 샤프트로서 형성되고, 이들 외부 섹션들 사이에 놓이는 중간 섹션은 중공형 샤프트로서 형성된다. 서로 상이한 재료로 이루어진 섹션들이 플랜지 연결부에 의해 상호연결되는 경우도 유리하다. 이는 검사 작업중에 유용할 수 있는데, 이는 상이한 섹션들이 서로로부터 용이하게 분리될 수 있기 때문이다.

유입 라인 및 배출 라인이 플랜지 연결부 내에 형성되는 경우도 유리하다.

서로 상이한 재료로 이루어진 섹션은 하나 이상의 용접 시임(welded seam)에 의해 서로 편의상 용접된다.

유입 라인과 배출 라인이 히르트 치형 내에 형성되는 경우 매우 유리하다. 이 경우, 사다리꼴, 직사각형 또는 삼각형의 톱니부를 가질 수 있는 히르트 치형은 유입 및/또는 배출 라인으로서 형성되는 홈을 갖도록 제조될 수 있다. 이 결과, 매우 단순한 유입 및/또는 배출 라인 형성 방법이 제공된다. 예를 들면, 냉각 증기의 계산된 통로 체적에 따라서 조정되는 사다리꼴, 직사각형 또는 삼각형 톱니부 내에 홈이 형성될 수 있다. 히르트 치형 상에 이러한 홈을 제조하는 것은 비교적 간단하며, 또한 신속하게 실행될 수 있다. 이로 인해 가격적인 이점을 갖는다.

반환 라인은 외부 케이싱 내에 유리하게 배치된다. 또한, 반환 라인은 내부 케이싱 내에 보어로서 형성될 수 있다.

이하 본 발명의 예시적인 실시예가 도면을 참조로 보다 상세히 설명된다. 이때, 동일한 명칭을 갖는 구성요소는 동일한 작동 원리를 갖는다.

도 1은 종래기술에 따른 고압 터빈 섹션의 횡단면도이고,

도 2는 터빈 섹션의 일부분을 통과하는 섹션의 도면이며,

도 3은 터빈 샤프트를 통과하는 섹션의 도면이며,

도 4는 대안적인 실시예에서 터빈 샤프트를 통과하는 섹션의 도면이며,

도 5는 대안적인 실시예에서 터빈 샤프트를 통과하는 섹션의 도면이며,

도 6은 대안적인 실시예에서서 터빈 샤프트를 통과하는 섹션의 도면이며,

도 7은 대안적인 실시예에서 터빈 샤프트를 통과하는 섹션의 도면이며,

도 8은 플랜지 연결부의 확대도이며,

도 9는 플랜지 연결부의 일부분의 사시도이며,

도 10은 히르트 치형의 원리의 사시도이며,

도 11은 삼각형 형상의 관통 통로를 갖는 히르트 치형의 단면도이며,

도 12는 관통공을 갖는 사다리꼴 형상의 히르트 치형을 통과하는 단면도이며,

도 13은 온도에 따라 상대적인 크리프 파괴 강도를 나타내는 그래프이다.

도 1은 종래 기술에 따른 고압 터빈 섹션(1)을 통과하는 단면을 도시한다. 고압 터빈 섹션(1)은 증기 터빈의 실시예와 같이, 외부 케이싱(2) 및 외부 케이싱 내부에 배치되는 내부 케이싱(3)을 포함한다. 내부 케이싱(3)의 내부에는 터빈 샤프트(5)가 회전 축선(6) 둘레에 회전식으로 장착된다. 터빈 샤프트(5)는 복수의 로터 블레이드(7)를 포함하며, 로터 블레이드(7)는 터빈 샤프트(5)의 표면상에서 슬롯 내에 배치된다. 내부 케이싱(3)은 스테이터 블레이드(8)를 가지며, 스테이터 블레이드(8)는 내부 표면상에서 슬롯 내에 배치된다. 스테이터 블레이드(8) 및 로터 블레이드(7)는 유동 방향(13)으로 유동 통로(9)가 형성되도록 배치된다. 고압 터빈 섹션(1)은 유입구 영역(10)을 가지며, 이 유입구 영역(10)을 통해서 생증기(live steam)가 작동중에 고압 터빈 섹션(1) 내부로 유동한다. 생증기는 300bar 및 620℃를 넘는 증기 파라미터를 가질 수 있다. 유동 방향(13)으로 팽창되는 생증기는 차례로 스테이터 블레이드(8) 및 로터 블레이드(7)를 지나 유동하여 팽창되며 냉각된다. 이 과정에서 증기는 터빈 샤프트(5)의 회전 에너지로 전환되는 내부 에너지가 손실된다. 터빈 샤프트(5)의 회전은, 전원 공급 장치로서, 도시되지 않은 발전기를 궁극적으로 구동시킨다. 물론 고압 터빈 섹션(1)은 예를 들면 압축기, 선박의 스크루 등과 같이, 발전기로부터 떨어져 있는 다른 설치 부품을 구동시킬 수 있다. 증기는 유동 통로(9)를 통하여 흐르며 배출구(33)로부터 고압 터빈 섹션(1)의 외부로 흐른다. 이때, 증기는 유동 방향(13)으로 작용력(11)을 가한다. 그 결과 터빈 샤프트(5)는 유동 방향(13)으로 동작을 실행할 것이다. 터빈 샤프트(5)의 실제 동작은 보상 피스톤(4)의 형성으로 인해 방지된다. 이는 상응하는 압력이 보상 피스톤 프리-챔버(compensating piston pre-chamber; 12) 내에서 허용되는 증기에 의해 발생하며, 보상 피스톤 프리- 챔버(12) 내에서 증강된 압력의 결과로서, 유동 방향(13) 대향하여 힘이 생성되게 되며, 이 힘은 이상적으로는 작용력(11)만큼 커야 한다. 일반적으로 보상 피스톤 프리- 챔버(12) 내에 허용되는 증기는 매우 높은 온도 파라미터를 가지며 탭 오프된(tapped-off) 생증기이다. 결과적으로 터빈 샤프트의 보상 피스톤(4)과 유입구 영역(10)은 열적으로 높은 응력을 받는다.

도 2에는 증기 터빈(1)의 세부 사항이 도시된다. 증기 터빈은 외부 케이싱(2), 내부 케이싱(3) 및 터빈 샤프트(5)를 갖는다. 증기 터빈(1)은 로터 블레이드(7) 및 스테이터 블레이드(8)를 갖는다. 생증기는 경사 단(15)을 거쳐 유입구 영역(10)을 지나 유동 통로(9)에 도달한다. 증기는 이러한 과정에서 팽창되고 냉각된다. 증기의 내부 에너지는 터빈 샤프트(5)의 회전 에너지로 전환된다.

증기는 스테이터 블레이드(8) 및 로터 블레이드(7)로부터 형성되는 정해진 개수의 터빈 단(turbine stages) 뒤에서 유입 라인(16)을 통해 냉각 공기 라인(17)으로 유체적으로 소통된다. 이 경우, 냉각 공기 라인(17)은 터빈 샤프트(5) 내부에 공동으로서 형성된다. 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 예를 들면 공동(cavity)을 대체하여 도시되지 않은 라인을 터빈 샤프트(5) 내부에 형성하는 것이 가능하다.

터빈 샤프트(5)는 케이싱(2, 3) 내부에 회전 장착식으로 배치되며, 회전 축선(6)을 따라서 배치된다. 유동 통로(9)는 케이싱(2, 3)과 터빈 샤프트(5) 사이에 형성된다. 이 경우, 냉각 라인(17)은 회전 축선(6)의 방향으로 냉각 증기를 안내하도록 형성된다. 냉각 라인(17)은 일 측면이 하나 이상의 유입 라인(16)에 유체 연결된다. 유입 라인(16)은 냉각 증기의 유입을 위해 유동 통로(9)로부터 냉각 라인(17)으로 형성된다.

이 경우, 유입 라인(16)은 회전 축선(6)에 방사상으로 배치될 수 있다. 유입 라인(16)의 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 예를 들면 유입 라인(16)은 회전 축선(6)에 직각으로 형성될 수 있다. 유입 라인(16)은 유동 통로(9)로부터 냉각 라인(17)까지 나선형으로 연장될 수 있다. 유동 통로(9)의 횡단면은 유동 통로(9)로부터 냉각 라인(17)까지 변화할 수 있다.

냉각 라인(17)은 타측면이 추력 보상 피스톤의 생성 표면(19) 상으로 냉각 증기를 안내하기 위한 하나 이상의 배출 라인(18)에 연결된다.

배출 라인(18)의 외부로 유동하는 냉각 증기는 추력 보상 피스톤의 생성 표면(19)으로 분배되며, 이 과정에서 생성 표면(19)을 냉각시킨다.

케이싱(2, 3)은 내부 케이싱(3)과 외부 케이싱(2)을 포함한다. 배출 라인(18)의 외부로 유동하는 냉각 증기는 2개의 방향으로 유동한다. 냉각 증기는 한편으로는 주 유동 방향(13)의 방향으로 유동하고, 다른 한편으로는 주 유동 방향(13)의 반대 방향으로 유동한다. 유입구 영역(10)을 거쳐, 생증기의 일부가 내부 케이싱(3)과 터빈 샤프트(5) 사이에서 추력 보상 피스톤(4)의 방향으로 유동한다. 이러한 소위 피스톤 누출 증기(20)는 배출 라인의 외부로 유동하는 냉각 증기와 혼합되며, 반환 라인(21)에 의해 유동 통로(9)로 반환된다. 실질적인 이유로 이러한 반환 라인(21)은 배출 라인(18)의 배출구와 유입구(10) 사이에서 출발한다. 그 결과, 냉각 증기의 부분 유동이 주 유동 방향(13)으로 지향될 수 있으며 피스톤 누출 증기(20)를 차단할 수 있다. 이에 따라, 전술한 피스톤 표면(19)의 냉각이 보장된다. 냉각 증기와 보상 피스톤 누출 증기로 형성된 이러한 혼합 증기는 유동 통로(9) 내의 적합한 지점에 허용되어 그곳에서 작업을 실행한다.

반환 라인(21)은 외부 케이싱(2) 내부의 외부 라인으로서 형성될 수 있다. 또한, 반환 라인(21)은 내부 케이싱(3) 내부의 보어로서 형성될 수 있다.

도 3에는 터빈 샤프트(5)가 도시되어 있다. 터빈 샤프트(5)는 열 응력을 고려한 재료로 제조된다. 그러나 이 경우, 불리하게도 열 응력은 터빈 샤프트(5) 상에 고르게 분배되지 않고, 이미 도시된 바와 같이, 보상 피스톤(4) 및 유입구(10)의 영역에서 특히 높다. 명확성을 위해 로터 블레이드(7)는 도시되지 않았다.

도 3의 해칭된 부분에 의해 터빈 샤프트(5)가 하나의 재료로 형성됨이 명확해진다.

도 4에는 추가의 터빈 샤프트(5)가 도시되어 있으며, 이 터빈 샤프트(5)는 유동 방향(13)으로 서로 상이한 재료로 된 2개 이상의 섹션을 갖는다. 대안적 실시예에서 터빈 샤프트(5)는 축방향 유동 방향(13)으로 서로 상이한 재료로 이루어진 3개의 섹션(24, 23, 22)을 가질 수 있다. 중간 섹션(22)은 예를 들면 내열성 10% 크롬강으로 될 수 있으며, 2개의 외부 섹션(23, 24)은 1% 크롬강과 같이, 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 도 4에 도시된 실시예에서, 중간 섹션(22) 및 2개의 외부 섹션(23, 24)은 용접 연결부(25, 26)에 의해 상호연결된다.

터빈 샤프트(5)는 중간 섹션(22)에서 중공형 샤프트로 구성되고, 외부 섹션(23, 24)에서 중실형 샤프트로 구성될 수 있다.

섹션(22, 23, 24)들이 서로 용접되는 경우, 하나 이상의 용접 시임이 사용된다.

서로 상이한 재료로 이루어지는, 터빈 샤프트(5)의 섹션(22, 23, 24)들은 플랜지 연결부(40)에 의해 상호 연결될 수 있으며, 유입 라인(16) 및 배출 라인(18)은 플랜지 연결부 내에 형성된다.

도 5에는 터빈 샤프트(5)의 대안적인 실시예가 도시된다. 도 4에 도시된 터빈 샤프트와의 차이점은 도 5에 도시된 터빈 샤프트(5)가 히르트 치형(27, 28)으로 조립된다는 점이다. 이 경우, 타이 볼트(29)가 형성되어야 하며, 타이 볼트(29)는 2개의 외부 섹션(23, 24)이 중간 섹션(22)을 향하여 가압되도록 배치된다. 중간 섹션(22)은 관형 또는 디스크형 구성으로 형성되는 하나 또는 그보다 많은 섹션을 포함하며, 각 경우 하나 또는 그보다 많은 로터 블레이드 단을 포함할 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같은 추가의 대안적인 실시예에서, 터빈 샤프트(5)의 섹션(22, 23, 24)은 히르트 치형(30, 31)에 의해 상호 연결되며, 유입 라인(16) 및 배출 라인(18)이 히르트 치형(30, 31) 내에 형성된다.

도 7에는 터빈 샤프트(5)의 추가의 대안적인 실시예가 도시된다. 터빈 샤프트(5)는 서로 상이한 재료로 형성되는 2개 이상의 섹션(22', 23')을 포함한다. 섹션(23')은 섹션(22')에 플랜지 연결된다. 적합한 넥-다운 볼트(necked-down bolts; 39)에 의해 나사 고정이 실행된다. 플랜지 연결부(40)는 종래 기술에 따라 중심이 맞춰진다. 편의상 볼트(39)를 수용하는 나사산(41)이 섹션(22')에 형성된다. 또한, 바람직하게는 냉각기 측면으로부터 섹션(22')에 대한 섹션(23')의 나사 고정이 실행된다.

도 8에는 도 7로부터의 나사 연결부의 단면도가 도시된다. 이 도면에 도시된 것은 배출 라인(18)이 홈에 의해 연결부 내에 통합되는 것이다. 이는 도 5의 터빈 샤프트(5)의 일부분의 사시도에서 도시된다. 환형 공간(42)에 의해 볼트 구멍(43)에 배출 라인(18)을 연결한 결과로서, 볼트의 냉각이 실현되고, 또한 볼트를 이용하여 플랜지 (보상 피스톤)의 온도의 균등화가 실현될 수 있다.

도 9에는 히르트 치형(30, 31)의 사시도가 도시된다. 이 경우, 중간 섹션(22)이 도 10에 도시된 히르트 치형(30, 31)을 갖는다. 마찬가지로, 서로 상이한 재료로 이루어진 2개의 외부 섹션(23, 24)이 유사하게 히르트 치형(30, 31)을 갖는다.

도 11에는 히르트 치형(30, 31)의 단면도가 도시된다. 예를 들면 좌측 부분은 좌측 섹션(24)이고, 우측 부분은 중간 섹션(22)이며, 이들 섹션은 히르트 치형(30)을 통해 상호 연결된다. 도 11에 도시된 횡단면도는 또한 배출 라인(18)을 도시할 수 있다. 이 경우, 좌측 부분은 중간 섹션(22)이고, 우측 부분은 히르트 치형(31)을 통해 연결되는 우측 섹션(23)이 될 것이다. 배출 라인(18)은 히르트 치형(30, 31) 내에 형성된다. 도 11에 도시된 실시예는 삼각형 톱니부를 갖는다.

유입 라인(16) 또는 배출 라인(18)은 히르트 치형(30, 31)의 홈(32)을 통해 형성된다.

도 12에 도시된 히르트 치형(30, 31)의 실시예에서 히르트 치형은 사다리꼴 톱니부를 갖는다. 사다리꼴, 직사각형, 또는 삼각형 톱니부는 히르트 치형의 가능한 실시예이다. 다른 실시예도 가능하다.

도 13에는 증기 터빈 샤프트용 1% 크롬강 및 10% 크롬강에 대한 관련 강도 값이 도시된다.

400 내지 600℃의 선형 스케일(linear scale)에의 온도가 x-축(35) 상에 기입된다. 30 내지 530 N/㎟의 선형 스케일에서의 크리프 파괴 강도(R_m _{, 200000h})가 y-축(36) 상에 기입된다. 상부 곡선(37)은 재료(30 CrMoNiV5-11)에 대한 온도 특성을 도시하고, 하부 곡선(38)은 재료(X12CrMoWVNbN10-1-1)에 대한 온도 특성을 도시한다.

본 발명에 따른 냉각 증기의 안내 외에도, 열적으로 응력이 가해진 부품의 표면에 열적 배리어 코팅(thermal barrier coating)을 도포하면 효과적인 냉각 효율이 증가하는 것이 밝혀졌다.

타이 볼트(29)의 사용으로 인해 축방향 힘의 일부가 흡수된다. 이 결과, 터빈 샤프트(5)는 박벽으로 형성될 수 있으며, 박벽은 열적 유연성 및 방사상 간극의 형성에 긍정적인 효과를 미친다.

본 발명은 증기 터빈(1)의 실시예로서 고압 터빈 섹션의 형성에 제한되지 않으며, 또한 본 발명에 따른 터빈 샤프트(5)는 중간압 터빈 섹션 또는 소형 터빈 섹션(케이싱 내부의 고압 및 중간압)에 사용될 수 있다. 또한, 터빈 샤프트(5)는 다른 유형의 증기 터빈에 사용될 수 있다.

Claims

케이싱(2, 3)을 구비하는 증기 터빈(1)으로서,

추력 보상 피스톤(4)을 갖는 터빈 샤프트(5)가 상기 케이싱(2, 3) 내부에 회전 장착 식으로 배치되어, 회전 축선(6)을 따라 배치되고,

상기 케이싱(2, 3)과 상기 터빈 샤프트(5) 사이에 유동 통로(9)가 형성되며,

상기 터빈 샤프트(5)가 상기 터빈 샤프트(5)의 내부에 상기 회전 축선(6)의 방향으로 냉각 증기를 안내하기 위한 냉각 라인(17)을 갖고,

상기 냉각 라인(17)의 일 측면이 상기 유동 통로(9)로부터 상기 냉각 라인(17) 내부로의 냉각 증기의 유입을 위한 하나 이상의 유입 라인(16)에 연결되며,

상기 냉각 라인(17)의 타 측면이 상기 추력 보상 피스톤의 생성 표면(19) 상으로 냉각 증기를 안내하기 위한 하나 이상의 배출 라인(18)에 연결되는, 증기 터빈(1)에 있어서,

상기 배출 라인(18)의 외부로 유동하는 냉각 증기, 및 상기 케이싱(2, 3)과 상기 터빈 샤프트(5) 사이에서 보상 피스톤 누출 증기로서 상기 추력 보상 피스톤(4)의 방향으로 유동하는 일부 생증기로 형성되는 혼합 증기의 반환을 위한 반환 라인(21)을 포함하고,

상기 반환 라인(21)이 상기 유동 통로(9) 내부로 통하는 것을 특징으로 하는

증기 터빈.
제 1 항에 있어서,

상기 케이싱(2, 3)이 내부 케이싱(3)과 외부 케이싱(2)을 포함하는

증기 터빈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 터빈 샤프트(5)가 축방향(34)으로 서로 상이한 재료로 이루어진 2개 이상의 섹션을 갖는

증기 터빈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 터빈 샤프트(5)가 축방향(34)으로 서로 상이한 재료로 이루어진 3개의 섹션(22, 23, 24)을 갖는

증기 터빈.
제 4 항에 있어서,

외측의 2개의 상기 섹션(23, 24)이 동일한 재료로 이루어지는

증기 터빈.
제 4 항에 있어서,

서로 상이한 재료로 이루어진 상기 섹션(22, 23, 24)이 서로 용접되는

증기 터빈.
제 4 항에 있어서,

상기 섹션(23, 24)이 중실 샤프트로서 형성되고, 상기 섹션(22)이 중공 샤프트로서 형성되는

증기 터빈.
제 4 항에 있어서,

서로 상이한 재료로 이루어진 상기 섹션(22, 23, 24)이 히르트 치형(30, 31)에 의해 상호연결되는

증기 터빈.
제 4 항에 있어서,

서로 상이한 재료로 이루어진 상기 섹션(22, 23, 24)이 플랜지 연결부(40)에 의해 상호연결되는

증기 터빈.
제 8 항에 있어서,

상기 유입 라인(16)과 상기 배출 라인(18)이 히르트 치형(30, 31) 내에 형성되는

증기 터빈.
제 9 항에 있어서,

상기 유입 라인(16)과 상기 배출 라인(18)이 플랜지 연결부(40) 내에 형성되는

증기 터빈.
제 8 항에 있어서,

상기 히르트 치형(30, 31)이 홈(32)을 구비하는 사다리꼴, 직사각형, 또는 삼각형의 톱니부를 가지며, 상기 홈이 상기 유입 라인(16) 및 상기 배출 라인(18) 중 하나 이상으로서 형성되는

증기 터빈.
제 2 항에 있어서,

상기 반환 라인(21)이 상기 외부 케이싱(2) 내에 배치되는

증기 터빈.
제 2 항에 있어서,

상기 반환 라인(21)이 상기 내부 케이싱(3) 내에 보어로서 형성되는

증기 터빈.