KR101266896B1 - 연속 유동 기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보 기기(11)로서, 로터(14), 상기 로터(14) 주위에 배치되는 내부 하우징(6), 및 상기 내부 하우징(6) 주위에 배치되는 외부 하우징을 포함하고, 케이싱(1)이 상기 내부 하우징(6)의 영역 주위에 배치되고, 상기 케이싱(1) 상에 환형 채널(18)이 배치되어, 증기가 상기 환형 채널(18) 및 구멍(3)을 통해 상기 케이싱(1) 및 상기 내부 하우징의 외부 표면(17) 사이의 챔버(5)로 유입되고, 다시 상기 케이싱(1) 내에 위치한 구멍(4)을 통해 유출되는 터보 기기(11)에 관한 것이다.

Description

연속 유동 기계 {CONTINUOUS FLOW MACHINE}

본 발명은 연속 유동 기계(continuous flow machine)로서, 로터, 상기 로터 주위에 배치되는 내부 하우징, 및 상기 내부 하우징 주위에 배치되는 외부 하우징을 포함하고, 시일(seal)을 형성하도록 밀폐되는 케이싱이 상기 내부 하우징 영역 주위에 배치되는, 연속적인 유동 기계에 관한 것이다.

여기서, 용어 연속 유동 기계(continuous flow machine)는, 구체적으로는, 증기 터빈을 의미하는 것이다. 증기 터빈은 소위 고압, 중압(medium-pressure), 또는 저압 터빈 부재(element)로 세분된다. 현재 증기 터빈을 전술한 터빈 부재들로 세분하는 기준이 없다. 일반적으로, 고압 터빈 부재에는 620℃ 까지의 온도와 350 bar 까지의 압력에서 증기가 가해진다. 이러한 고압 터빈 부재로부터 유출되는 증기는 중간 과열기(intermediate superheater)에서 620℃ 까지의 온도로 다시 가열된 이후에 중압 터빈 부재로 유입되며, 증기는 이후 중압 터빈 부재로부터 유출되어 저압 터빈 부재로 유입된다. 일반적으로, 증기 터빈은 소위 2중 외피(two-shell) 또는 3중 외피(three-shell) 구성에 기초하여 내부 하우징을 구비하여 설계된다.

예로서, 중압 터빈 부재에서, 중압 배출 증기는 내부 하우징 주위로 유동한다. 회로 파라미터에 따라서, 이러한 중압 배출 증기는 상당히 낮은 온도에 있을 수 있으며, 따라서 내부 하우징 내부 벽과 내부 하우징 외부 벽 사이에 상당히 큰 온도차가 초래될 수 있다. 소위 고온 중간 과열 증기(hot intermediate-superheated steam)가 내부 하우징 내부 벽에 가해지며, 중압 배출 증기는 전술한 바와 같이 내부 하우징 외부 벽 주위로 유동한다. 중압 배출 증기의 온도 및 고온 중간 과열 증기의 온도가 상당히 차이가 나므로, 이는 내부 하우징 상에 상이한 열적 부하(thermal load)를 가져오게 된다. 이러한 큰 온도 차이는, 예를 들어 부재들을 결합시키는 스크루에 그리고 내부 하우징에 허용할 수 없는 큰 부하를 초래하여, 하우징의 탄성 및/또는 소성(plastic) 변형을 증가시킬 수 있다.

하우징 변형에 대한 예방책(precaution)으로서, 중압 배출 증기가 내부 하우징 외부 표면상으로 직접 유동하는 것을 방지하기 위해, 내부 하우징을 강철 시트로 둘러싸는 것이 일반적인 관행(practice)이다. 이러한 케이싱은 종종 열 보호 재킷(heat protection jacket) 또는 열적 차폐부(thermal shield)로서 언급되며, 전체 내부 하우징의 주위에 배치된다. 내부 하우징 표면에 대해 비교적 균일한 주위 상태, 온도 분포 및 중압 배출 증기의 균일하거나 낮은 유량을 유지하기 위하여, 열 보호 재킷은 열 보호 재킷과 내부 하우징 사이에 간격(gap)이 형성되도록 설계된다. 또한, 중압 배출 증기가 열 보호 재킷을 통해 유동할 수 있게 하기 위하여 추가의 개구부가 열 보호 재킷에 배치된다.

그러나 이는 열 보호 재킷 내의 실제 상태(actual condition)가 사실상 변화될 수 없다는 단점을 가진다. 이는 실제 상태가 내부 하우징에 대한 요구조건에 부합될 수 없다는 것을 의미한다. 이러한 경우에, 열 보호 재킷 내의 온도 조정이 가능하게 되는 것이 바람직할 것이다. 이는 재킷 내부의 온도를 제어식으로(deliberately) 증가 또는 감소시키는 것이 유리하다는 것을 의미한다.

본 발명의 목적은 내부 하우징 내의 허용할 수 없는 온도 차이를 방지할 수 있도록 연속 유동 기계를 개선시키는 것이다.

이러한 목적은, 로터, 상기 로터 주위에 배치되는 내부 하우징 및 상기 내부 하우징 주위에 배치되는 외부 하우징을 포함하고, 시일을 형성하도록 밀폐되는 케이싱이 상기 내부 하우징의 영역 주위에 배치되고, 상기 케이싱이 증기가 유입될 수 있는 유입구 및 상기 케이싱 내에 위치하는 증기가 유출될 수 있는 배출구를 가지며, 상기 유입구가 환형 채널을 포함하는, 연속 유동 기계에 의해 달성된다.

상응하게, 본 발명은 증기가 케이싱의 영역으로 제어식으로(deliberately) 유입될 수 있게 하는 방법을 제안한다. 케이싱의 영역 내의 온도는 이러한 영역으로의 증기 질량 유량에 의해 변할 수 있다. 이는 내부 하우징 외부 표면상의 온도가, 내부 하우징 내에 상이한 온도가 발생할 수 있는, 상이한 작동 조건에 대해 변할 수 있다는 것을 의미한다.

따라서, 내부 하우징 외부의 작동 조건을 변화시키는 것이 가능하며, 이러한 경우에, 원칙적으로, 내부 하우징 외부는 내부 하우징 외부 표면에 인접한 영역을 의미한다. 본 발명의 다른 장점은 내부 하우징 외부 표면상의 온도가 시동 프로세스(starting process) 중에 또는 중단 프로세스(shutdown process) 중에 조정될 수 있어서, 내부 하우징 및 부재들을 결합시키는 스크루 상에 허용할 수 없는 높은 부하가 방지되도록 내부 하우징 내의 온도 구배를 설정하는 것이 가능하다는 점이다.

이러한 경우에, 환형 채널이 케이싱 주위에 배치된다. 바람직하게는, 연속적인 환형 채널이 제공되는데, 다시 말해서, 외부 유입 라인을 통해서 증기가 환형 채널로 공급되고, 이러한 증기가 환형 채널에서 케이싱을 완전히 둘러싸서, 증기가 구멍을 통해 케이싱 내의 영역으로 유입되도록 한다. 대안적인 실시예에서는, 환형 채널을, 하나의 환형 채널 부재가 하부의 내부 하우징 하부 부분과 연관될 수 있고 제2 환형 채널 부재가 내부 하우징 상부 부분과 연관될 수 있는, 2개의 링 부재로 세분할 수 있다. 그러나, 이러한 경우에는, 각각의 환형 채널 부재에 대해 각각 별도의 유입 라인이 제공되어야 한다. 증기의 융통성있는(flexible) 공급을 유지하기 위하여, 환형 채널에 다수의 유입 채널을 제공하는 것도 물론 가능하다.

종속 청구항들에는 유리한 개선사항들이 기재되어 있다.

예를 들어, 케이싱을 시트 금속으로 제조하는 것이 유리하다. 이는 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 빠르게 제조될 수 있는, 특히 유리한 옵션이다. 특히, 여기서는 시트 강철이 사용될 수 있다. 물론, 연속 유동 기계의 온도 조건은 금속 시트 또는 강철 시트가 사용될 수 있도록 되어야 한다. 특히, 중압 배출 증기의 온도가 금속 시트 또는 강철 시트에 손상을 초래하지 않도록 주의를 기울여야 한다.

다른 유리한 개선사항에서는, 케이싱이 내부 하우징에 대해 시일(seal)을 형성한다. 이는 케이싱으로 유입하는 증기가 제어되지 않은 방식으로 다시 유출되지 않는다는 장점을 가진다. 따라서, 외부로부터 케이싱 내의 상태를 더 잘 설정할 수 있다. 외부로부터 상태를 설정하는 가능한 제1 방안은 케이싱에 의해서 또는 밸브에 의해서 케이싱으로 유입하는 증기의 질량 유량을 단순히 조정하는 것이다. 상태를 변경하는 가능한 다른 방법은 증기의 온도를 변화시키는 것이다.

케이싱의 내부 영역으로의 증기의 유입 유동은 구멍, 특히 반경 방향 구멍에 의해 이루어진다. 케이싱의 영역으로의, 제어된(deliberate), 균일한 유입 유동은 구멍의 배치, 크기 및 개수에 의해 이루어질 수 있다.

바람직한 다른 개선사항에서는, 케이싱이 유입-유동 영역의 영역 내에 배치된다. 특히 중압 터빈 부재에서, 유입-유동 영역은 가장 큰 열적 부하가 발생하는 영역이다. 이는 특히 이러한 영역에서 내부 하우징이 허용할 수 없는 열적 부하를 받는다는 것을 의미한다. 내부 하우징의 배출 증기 영역은 이에 비해서 비교적 가벼운 열적 부하를 받는다. 따라서 내부 하우징을 완전히 둘러쌀 필요는 없다. 실제로, 특히 높은 열적 부하를 받는 영역 및 내부 하우징 내부 표면과 내부 하우징 외부 표면 사이에 허용할 수 없는 온도 구배가 방지되어야만 하는 영역만을 둘러싸는 것이 유리하다. 이러한 영역은 실제로 유입-유동 영역이며, 이러한 이유로 본 개선 사항에서는 이 유입-유동 영역을 실제로 둘러쌀 것을 제안한다.

다른 유리한 개선사항에서는, 배출구가 케이싱 내에 다수의 반경 방향 구멍을 가진다. 따라서 케이싱으로부터 나오는 증기를 용이하게 밖으로 운반할 수 있으며, 여기서 이러한 증기는 물론 케이싱으로 유입되는 증기와는 다른, 온도와 압력과 같은, 열역학적 변수를 가지는 증기이다. 케이싱으로부터의 특유하고 균일한 배출 유동은 반경 방향 구멍의 배치, 크기 및 개수에 의해 이루어질 수 있다.

다른 유리한 개선사항에서는, 케이싱과 내부 하우징 사이에 열 전달 시일(heat-moving seal)이 배치될 수 있다. 일반적으로, 증기는 증기 터빈으로 연속적으로 인가되어 증기 터빈 내에 균일한 온도 분포를 초래한다. 그러나, 예를 들어 증기 터빈이 시동 및 중단되는 경우에, 증기 터빈 내의 여러 부품의 상이한 열적 팽창이 가능하게 되는 작동 상태가 존재한다. 특히, 강철 시트로 제조된 케이싱은 내부 하우징과는 다른 열적 팽창을 가질 수 있어서, 케이싱의 변형 또는 케이싱과 내부 하우징 사이의 바람직하지 않은 간격을 초래할 수 있다. 이러한 바람직하지 않은 효과는 열-전달 시일에 의해 방지될 수 있다.

이하에서는 도 1 및 2를 참조하여 본 발명이 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 증기 터빈의 반경 방향의 단면도이다.
도 2는 중압 터빈 부재의 단면도이다.

도 1은 중압 증기 터빈(11)의 반경 방향 단면도를 도시한다. 중압 증기 터빈(11)는 회전 축(12) 주위에서 실질적으로 회전 대칭적인 내부 하우징(6)을 가지며, 내부 하우징 상부 부분(6a) 및 내부 하우징 하부 부분(6b)으로 이루어진다. 내부 하우징 상부 부분(6a)은 플랜지(13)를 통해서 그리고 스크루를 통해서 (이는 도면에는 상세하게 도시되지는 않았다) 내부 하우징 하부 부분(6b)에 연결된다. 명확성을 위해서, 로터(14)와 같은 다른 부품들은 상세하게 도시되지는 않았다.

외부 하우징(15)은 내부 하우징(6) 주위에 배치된다. 케이싱(1)은, 열적 차폐(shielding)를 위해서, 내부 하우징(6)의 주위에 배치된다. 케이싱(1)은 강철 시트로 형성될 수 있으며, 열-전달(heat-moving) 시일(16)을 통해서 내부 하우징(6) 상에 배치된다. 중압 배출 증기는 작동 중에 배출 증기 영역(9)에 위치하며, 중압 증기 터빈(11)으로 유동하는 신선한 증기보다 상당히 더 낮은 온도 및 상당히 더 낮은 압력에 있다. 이러한 중압 배출 증기는 케이싱(1)에 의해서 내부 하우징 외부 표면(17) 상에 작용하는 것이 방지된다. 케이싱(1)은 또한 환형 채널(18)을 가지는데, 이는 유동의 목적으로 유입 채널(10)에 연결되는 환형 영역(2)을 형성한다. 화살표(19)로 도시되는 바와 같이, 증기는 유입 채널(10)을 통해서 환형 영역(2)으로 유동하여 내부 하우징(6) 위에서 주위에 분포된다. 증기는 케이싱(1)에 위치한 반경 방향 구멍(3)을 통해 케이싱(1)과 내부 하우징 외부 표면(17) 사이에 형성된 영역(5)으로 유동한다.

원칙적으로, 유입 채널(10)를 통해 공급되는 증기는 영역(5)으로 직접 들어갈 수도 있다. 둘레에 걸쳐서 더 나은 분포를 위해서 환형 영역(2)이 제공되는 것이다.

도 1은 증기가 영역(5) 밖으로 유동하는 방식에 대해서는 자세히 도시하지 않는다.

도 2는 중압 증기 터빈(11)의 단면도를 도시한다. 이러한 중압 터빈 부재(1) 중에서 가장 높게 열적으로 부하를 받는 영역은 유입-유동 영역(20) 주위의 영역이다. 도 2에서 볼 수 있듯이, 케이싱(1)은 전체 내부 하우징 주위에 배치되지 않고 유입-유동 영역(20) 주위에 배치되는데, 이는 이 부분이 가장 높게 열적으로 부하를 받기 때문이다. 환형 채널(18)도 마찬가지로 케이싱(1)의 전체 축방향 길이에 걸쳐 형성되는 것이 아니라, 짧은 축방향 길이에 걸쳐서만 연장한다. 도 2에 도시된 예시적인 실시예의 환형 영역(18)은 라인(22)의 왼쪽으로 케이싱(1)의 에지에 배치되며, 케이싱(1)의 축방향 길이(21)의 대략 1/4에 걸쳐 연장한다. 바람직하게는 반경 방향으로 형성되는 구멍(3)을 통해 유입되는 증기는, 역시 바람직하게는 반경 방향으로 형성되는 구멍(4)을 통해 영역(5)으로부터 나온다. 구멍(4)으로부터 나오는 증기는 구멍(3)으로 유입되는 증기와는 다른 열역학적 변수, 예를 들어 온도와 압력을 가진다. 구멍(3, 4)의 개수 및 크기의 구성은 특수하고 균일한 유입 및 배출 유동을 달성할 수 있게 한다. 유입 채널(10)을 통해 환형 영역(2)으로 유입되는 증기는, 예를 들어 소위 냉간 중간 과열(cold intermediate superheating)로부터 취해질 수 있다. 케이싱(1)은 유입 채널(10), 환형 영역(2) 및 영역(5) 내의 압력이 배출구 증기 영역(9) 내의 압력보다 단지 약간만 높도록 설계될 수 있는데, 이는 케이싱(1)이 압력을 견디도록 설계될 필요가 없다는 것을 의미한다. 환형 영역(2)으로, 그리고 최종적으로는 영역(5)으로 유입되는 증기는 내부 하우징 외부 표면(17) 상의 온도 및 유동 조건에 대한 영향을 초래하는데, 이는 유입 채널(10)로 유입되는 증기의 온도 및 질량 유량에 의해 제어될 수 있다. 이는 일정하게 선택된 설정(setting)에 의해서 또는 폐-루프(closed-loop) 제어에 의해서 실행될 수 있다. 또한, 온도 분포가 균일하게 될 수도 있다. 영역(5)으로 유동하는 증기는 내부 하우징(6)의 변형 거동(deformation behavior)을 향상시키며, 이로써 요구되는 반경 방향 간격(clearance)의 크기를 줄일 수 있게 한다. 이렇게 해서 하우징에 대한 그리고 스크루에 대한 부하가 감소되며, 마찬가지로 재료 크리피지(material creepage)로부터 초래되는 소성 변형을 최소화한다.

Claims (7)

1. 연속 유동 기계(11)로서,
   로터(14), 상기 로터(14) 주위에 배치되는 내부 하우징(6), 및 상기 내부 하우징(6) 주위에 배치되는 외부 하우징을 포함하고,
   시일을 형성하도록 밀폐되는 케이싱(1)이 상기 내부 하우징(6)의 영역 주위에 배치되고, 상기 케이싱(1)은 증기가 유입되기 위한 유입구 및 상기 케이싱(1) 내에 위치한 증기가 배출되기 위한 배출구를 가지는,
   연속 유동 기계(11)에 있어서,
   상기 유입구가 환형 채널(18)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
   연속 유동 기계.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 케이싱(1)이 시트 금속으로 제조되는,
   연속 유동 기계.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 케이싱(1)이 상기 내부 하우징(6)에 대해 시일(seal) 되는,
   연속 유동 기계.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 케이싱(1)이 유입-유동 영역(20)의 영역 내에 배치되는,
   연속 유동 기계.
   
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 케이싱(1)의 둘레 주위에 복수의 유입구가 분포되어 형성되는,
   연속 유동 기계.
   
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 배출구가 상기 케이싱(1) 내에서 복수의 반경 방향 구멍(3, 4)을 가지는,
   연속 유동 기계.
   
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 케이싱(1)과 상기 내부 하우징(6) 사이에 열-전달 시일(16)이 배치되는,
   연속 유동 기계.

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