KR101284498B1 - 유동 균일성을 구비하는 부분분사형 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동 균일성을 구비하는 부분분사형 터빈에 관한 것으로, 그 목적은 크로스-오버 채널 없이 부분분사 이후의 유동 균등화를 달성할 수 있는 유동 균일성을 구비하는 부분분사형 터빈을 제공하는 것이다.

본 발명은 부분분사 영역의 단과 전체분사 영역의 단 사이에 크로스 오버 채널을 설치하지 않고, 상기 부분분사 영역의 단과 전체분사 영역의 단 사이로 증기유입통로의 증기를 분사하는 증기분사부를 케이싱내에 설치하여, 증기분사부에 의해 분사되는 증기에 의해 부분분사 영역 이후의 유동을 균등화시키도록 되어 있다.

터빈, 부분분사, 크로스-오버 채널, 유동균일화, 보조노즐

Description

유동 균일성을 구비하는 부분분사형 터빈{Partial admission turbines with flow equalization devices}

본 발명은 유동 균일성을 구비하는 부분분사형 터빈에 관한 것으로, 부분분사형 터빈에 있어서, 부분분사 영역과 전체분사 영역을 크로스-오버 채널없이 직접적으로 연결하고, 그 사이로 증기를 공급하여 부분분사 영역을 통과하여 전체분사 영역으로 공급되는 유체의 유동을 능동적으로 균등화할 수 있는 유동 균일성을 구비하는 부분분사형 터빈에 관한 것이다.

터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로써, 이러한 터빈에서의 부분분사란 터빈 회전수가 작은 값으로 제한되거나 유량이 작을 때 터빈의 크기를 축소하는 대신에 기존의 크기를 유지하면서 작동유체가 원주방향으로 날개의 일부분만 통과하도록 하는 방법이다.

이와 같은 방법을 사용하는 이유는 터빈의 효율 때문으로, 터빈의 효율은 여러 가지 요인에 의해 영향을 받는데 그 중의 하나는 터빈 날개와 케이싱 사이의 틈 새 간격으로 이 간격의 크기가 증가할수록 터빈의 효율은 감소하는 경향을 가진다. 상기와 같은 부분분사 방법은 통상적으로 0.1 이하의 낮은 비속도 값을 갖는 터빈의 경우에 대하여 적용한다고 알려져 있다.

상기 부분분사가 이루어지는 단(stage)을 가지는 터빈의 경우, 부분분사 이후의 유동이 원주방향으로 높은 불균일성과 비대칭성을 갖게 되므로, 부분분사 단을 통과하고서 전체분사(full admission) 영역으로 유체를 전달하면서 전압력 손실(total pressure loss)을 최소화하고, 원주 방향으로의 강한 불균일성을 해소할 수 있도록 하기 위한 부분분사 영역과 전체분사 영역 사이에 크로스-오버 채널(cross-over channel)을 두고 있다.

도 1 은 터빈의 단면구성을 보인 예시도를 도시한 것으로, 기존의 크로스-오버 채널(cross-over channel)이 사용되고 있는 터빈의 단면으로서, 첫단이 원주방향으로 날개의 일부분만 작동유체가 통과하는 부분분사 영역으로 이루어져 있으며, 그 외의 단은 원주방향으로 날개전체에 대하여 작동유체가 통과하는 전체영역으로 이루어져 있다. 즉, 도 1에서 1단은 부분분사 영역(100)이고, 2~8단은 전체분사 영역(200)이며, 1단과 2단 사이의 공간이 크로스-오버 채널(cross-over channel,300)이다. 또한, 상기 각각의 단은 노즐과 로터의 회전날개로 이루어져 있다.

또한, 도 2 는 터빈의 3D 모델링을 보인 예시도를, 도 3 은 크로스-오버 채널을 구비한 종래의 부분분사형 터빈의 일예시도를 도시한 것으로, 크로스-오버 채널(cross-over channel)이 부분분사 영역의 단과 전체분사 영역의 단 사이에 존재하여 부분분사 이후 유동을 균등화시키는 역할을 하고 있다.

그러나, 선행 연구결과를 살펴보면 상기의 크로스-오버 채널(cross-over channel)이 유동을 완전히 균등화시켜 주지 못하는 것을 알 수 있다. Bohn[1]은 부분분사 후 각기 다른 4개의 크로스-오버 채널(cross-over channel) 형상을 통과한 유동을 실험적 방법을 통해 해석하였는데, 크로스-오버 채널(cross-over channel)에서의 균등화(equalization)는 완전하지 않아서 다른 형상의 4개 채널을 통과한 유동은 모두 전체분사 영역에서 3단이 지나서야 완전히 균등화가 이루어지고 있음을 밝혀내었다.

또한, 이러한 크로스-오버 채널(cross-over channel)에 의한 균등화 방법은 유체가 가지는 에너지의 손실에 의한 것이므로, 전체적인 터빈의 효율을 저하시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 그 목적은 부분분사 영역의 단과 전체분사 영역의 단 사이에 크로스-오버 채널을 설치하지 않고, 증기를 주입분사하여 부분분사 이후의 유동 균등화를 달성할 수 있는 유동 균일성을 구비하는 부분분사형 터빈을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 크로스-오버 채널을 제거하여 크로스-오버 채널로 인한 에너지 손실을 방지하고, 이를 통해 터빈의 효율을 향상시킬 수 있는 유동 균일성을 구비하는 부분분사형 터빈을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 다수개의 보조노즐을 원주방향으로 일정한 속도를 구비하도록 설치하여, 원주방향 속도성분 감소로 인한 유체 에너지의 손실을 방지할 수 있는 유동 균일성을 구비하는 부분분사형 터빈을 제공하는 것이다.

본 발명은 케이싱내에 형성된 증기유입통로을 통해 증기가 유입되고, 첫단이 원주방향으로 날개의 일부분만 작동유체가 통과하는 부분분사 영역으로 이루어지며, 그 외의 단은 원주방향으로 날개전체에 대하여 작동유체가 통과하는 전체영역으로 이루어진 부분분사형 터빈에 있어서;

상기 부분분사 영역의 단과 전체분사 영역의 단 사이에 크로스 오버 채널을 설치하지 않고, 상기 부분분사 영역의 단과 전체분사 영역의 단 사이로 증기유입통로의 증기를 분사하는 증기분사부를 케이싱내에 설치하여, 증기분사부에 의해 분사되는 증기에 의해 부분분사 영역 이후의 유동을 균등화시키도록 되어 있다.

상기 증기분사부는 부분분사 영역의 단과 전체분사 영역의 단 사이에 위치하도록 원주방향으로 다수개 설치되는 보조노즐과, 상기 보조노즐과 일측단이 연통되고 타측단이 부분분사 영역의 증기를 공급하는 증기유입통로와 연통되도록 케이싱내에 설치되는 증기유로와, 상기 증기유로에 설치되어 보조노즐을 통해 분사되는 증기의 온도 및 압력을 조절하는 자동조절부로 이루어져 있다.

이와 같이 본 발명은 부분분사(partial admission)가 이루어지는 모든 터빈 에 이용될 수 있으며, 부분분사 영역의 단과 전체분사 영역의 단 사이에 증기유입통로의 증기를 공급분사하여 능동적으로 부분분사 영역 이후의 유동을 균등화시킬 수 있고, 이를 통해 터빈의 전체효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 부분분사 영역의 단과 전체분사 영역의 단 사이에 크로스-오버 채널을 설치하지 않으므로, 이로 인한 에너지의 손실을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 유체의 원주방향 속도성분을 고려하여 다수개의 보조노즐이 설치되어 있어, 유동의 균등화를 용이하게 실현시킬 수 있는 등 많은 효과가 있다.

도 4 는 본 발명에 따른 부분분사형 터빈의 일예시도를, 도 5 는 본 발명에 따른 부분분사 영역의 단과 전체분사 영역의 단 사이에서의 유동을 보인 예시도를 도시한 것으로, 본 발명은 케이싱내에 형성된 증기유입통로을 통해 증기가 유입되고, 첫단이 원주방향으로 날개의 일부분만 작동유체가 통과하는 부분분사 영역으로 이루어지며, 그 외의 단은 원주방향으로 날개전체에 대하여 작동유체가 통과하는 전체분사영역으로 이루어진 부분분사형 터빈에 있어서;

상기 부분분사 영역의 단과 전체분사 영역의 단 사이에 크로스 오버 채널을 설치하지 않고, 상기 부분분사 영역의 단과 전체분사 영역의 단 사이로 증기유입통로의 증기를 분사하는 증기분사부를 케이싱내에 설치하여, 증기분사부에 의해 분사되는 증기에 의해 부분분사 영역 이후의 유동을 균등화시키도록 되어 있다.

상기 부분분사 영역은 케이싱내에 형성된 증기유입통로을 통해 유입된 증기 가 원주방향으로 날개의 일부분만 통과하는 부분으로, 다수개의 단으로 이루어진 터빈의 첫단 즉, 1단(10)에 해당된다.

상기 전체분사 영역은 부분분사 영역을 통과한 작동유체가 날개전체에 대하여 통과하는 영역으로, 1단을 제외한 나머지 단 즉, 2단(20), 3단(30), … 이 모두 이에 해당된다.

상기 각각의 단은 노즐(11,13,21,31,…)과 로터의 회전날개(12,14,22,32,…)로 이루어져 있으며, 상기 로터는 케이싱(60) 내부로 유입된 증기의 작용으로 증기의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 발전기에 전달하는 부품으로 축(Shaft)과 회전날개(Moving Blade)로 구성되어 있다.

상기 케이싱(60)은 터빈회전체에서 외부를 덮고 있는 기밀실로서, 증기가 일을 하기 위한 공간을 제공하고, 로타와 간격이 일정하게 유지하며, 증기가 유입되는 증기유입통로(70)을 구비한다.

상기 증기유입통로(70)는 고압의 증기를 부분분사 영역의 단 즉, 1단으로 공급하는 것으로, 1단의 회전날개를 회전시키기 위한 노즐이 연결설치되어 있다.

상기 증기분사부(80)는 부분분사 영역의 단과 전체분사 영역의 단 사이 즉, 1단(10)과 2단(20) 사이에 위치하도록 원주방향으로 다수개 설치되는 보조노즐(81)과, 상기 보조노즐(81)과 일측단이 연통되고 타측단이 부분분사 영역(1단)으로 증기를 공급하는 증기유입통로(70)과 연통되도록 케이싱(60)내에 설치되는 증기유로(82)와, 상기 증기유로(82)에 설치되어 보조노즐(81)을 통해 분사되는 증기의 온도 및 압력을 조절하는 자동조절부(83)로 이루어져 있다.

상기 보조노즐(81)은 케이싱(60)의 내부에 원주방향으로 다수개 설치되어 있으며, 상기 보조노즐(81)은 보조노즐을 통해 분사되는 증기가 부분분사 영역의 단 즉, 1단의 노즐과 로터를 통과한 주 유동과 함께 원주방향으로 일정한 속도를 구비하도록 소정의 경사각을 구비하고 설치되어 있다.

즉, 도 5 는 1단(10)과 2단(20) 사이를 축방향 단면으로 나타낸 것으로, 보조노즐(81)이 설치되는 위치를 예시적으로 보여주고 있으며, 1단의 노즐과 로터를 통과한 증기(주유동)는 2단의 노즐 전체에 분사되어 지지 않게 되므로, 분사되어 지지 않는 영역에 다수개의 보조노즐을 설치하여 전체적인 유동을 균등화 시켜주도록 되어 있다.

이때, 상기 보조노즐의 수와 위치는 적용되는 터빈의 특성에 따라 부분분사 영역을 통과한 주유동과 보조노즐을 통해 분사된 증기가 함께 균등한 유동을 만들 수 있도록, 또한, 전체분사 영역 첫 노즐의 입구각 역시 유체의 원주방향 속도성분을 고려하여 설계하는 것이 바람직하다.

상기 증기유로(82)는 증기유입통로(70)의 증기를 부분분사 영역의 단 즉, 1단(10)과 전체분사 영역의 단 즉, 2단(20) 사이로 공급하기 위한 것으로, 케이싱(60)내에 위치하도록 형성된다.

상기 자동조절부(83)는 보조노즐(81)이 연결설치된 증기유로(82)의 일측단 즉, 보조노즐(81) 부근에 위치하도록 설치된 센서(84)의 신호에 따라 보조노즐(81)을 통해 분사되는 증기의 압력 및 온도를 조절하며, 열교환기 등을 사용할 수 있다.

상기에서와 같이 본 발명은 크로스-오버 채널( cross-over channel)을 없애고, 부분분사영역과 전체분사 영역을 직접 연결함과 동시에, 케이싱에 증기분사부를 설치함으로써, 부분분사 영역을 통과하여 전체분사 영역으로 들어가는 유동을 균등화하도록 되어 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

도 1 은 터빈의 단면구성을 보인 예시도

도 2 는 터빈의 3D 모델링을 보인 예시도

도 3 은 크로스-오버 채널을 구비한 종래의 부분분사형 터빈의 일예시도

도 4 는 본 발명에 따른 부분분사형 터빈의 일예시도

도 5 는 본 발명에 따른 부분분사 영역의 단과 전체분사 영역의 단 사이에서의 유동을 보인 예시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(10) : 1단 (11,13) : 1단 노즐

(12,14) : 1단 로터의 회전날개 (20) : 2단

(21) : 2단 노즐 (22) : 2단 로터의 회전날개

(30) : 3단 (31) : 3단 노즐

(32) : 3단 로터의 회전날개 (60) : 케이싱

(70) : 증기유입통로 (80) : 증기분사부

(100) : 부분분사 영역 (200) : 전체분사 영역

Claims (2)

1. 케이싱내에 형성된 증기유입통로을 통해 증기가 유입되고, 첫단이 원주방향으로 날개의 일부분만 작동유체가 통과하는 부분분사 영역으로 이루어지며, 그 외의 단은 원주방향으로 날개전체에 대하여 작동유체가 통과하는 전체영역으로 이루어진 부분분사형 터빈에 있어서;

   상기 부분분사 영역의 단과 전체분사 영역의 단 사이에 크로스 오버 채널을 설치하지 않고,

   상기 부분분사 영역의 단과 전체분사 영역의 단 사이로 증기유입통로의 증기를 분사하는 증기분사부를 케이싱내에 설치하여,

   증기분사부에 의해 분사되는 증기에 의해 부분분사 영역 이후의 유동을 균등화시키도록 한 것을 특징으로 하는 유동 균일성을 구비하는 부분분사형 터빈.
2. 제 1 항에 있어서;

   상기 증기분사부는 부분분사 영역의 단과 전체분사 영역의 단 사이에 위치하도록 원주방향으로 다수개 설치되는 보조노즐과,

   상기 보조노즐과 일측단이 연통되고 타측단이 부분분사 영역의 증기를 공급하는 증기유입통로과 연통되도록 케이싱내에 설치되는 증기유로와,

   상기 증기유로에 설치되어 보조노즐을 통해 분사되는 증기의 온도 및 압력을 조절하는 자동조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동 균일성을 구비하는 부분분사형 터빈.

Images