KR101316774B1 - 저압 터빈용 글랜드 케이싱의 침식 방지구조 - Google Patents

저압 터빈용 글랜드 케이싱의 침식 방지구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스팀터빈의 로터의 외주부를 감싸도록 글랜드 케이싱이 고정 설치되고, 상기 글랜드 케이싱의 내주연에 로터의 축경을 따라 흐르는 고압스팀의 흐름을 차단하기 위한 팩킹링이 설치되며, 상기 글랜드 케이싱은 상하 반체가 조립되는 형상으로 제작되고, 상기 조립단면에 내식성이 뛰어난 표면개질 용접층을 형성하여 고압 스팀에 의한 침식이 방지되도록 하는 것을 특징으로 하며,
본 발명은 글랜드 케이싱의 조립단면에 내식성이 뛰어난 표면개질 용접층을 형성하여 고압 스팀에 의한 침식 및 부식이 방지되도록 함으로써, 터빈 내부의 고압스팀이 글랜드 케이싱 결합부를 통해 누출되는 것을 억제시켜 터빈의 발전효율이 향상된다. 또한, 본 발명은 팩킹링의 구조를 개선시켜 글랜드 케이싱의 링 결합부를 통해 스팀유로가 형성되어 침식 및 부식이 발생되는 것을 방지하고, 이로서 팩킹링의 유격이 항상 일정하게 유지될 수 있고, 부품수명이 연장되어 경제적인 효과를 갖는다.

Description

저압 터빈용 글랜드 케이싱의 침식 방지구조{erosion preventive structure of gland casing for low pressure turbine}
본 발명은 저압 터빈용 글랜드 케이싱에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 글랜드 케이싱의 조립단면에 내식성이 뛰어난 표면개질 용접층을 형성하여 고압 스팀에 의한 침식이 방지되도록 한 저압 터빈용 글랜드 케이싱에 관한 것이다.
일반적으로 터빈 저압단의 출구측에 저압 터빈의 외경을 감싸도록 글랜드 케이싱이 설치된다. 이와 같은 글랜드 케이싱은 내주연에 팩킹링(Packing Ring)을 결합시켜 터빈 저압단의 증기 유출을 막는 역할을 하게 된다.
도 1은 종래기술의 저압터빈용 글랜드 케이싱 설치구조를 도시한 개략도이고, 도 2는 종래기술의 저압터빈용 글랜드 케이싱을 도시한 도면대용사진이다.
동 도면에 도시한 바와 같은 종래기술은 스팀에 의해 회전되는 로터(1)와 고정체인 글랜드 케이싱(10) 사이에 팩킹링(20)이 설치되어 스팀의 누설을 방지하게 된다.
이때, 로터(1)는 스팀의 증기압에 의해 회전되고, 팩킹링(20)은 고정체인 글랜드 케이싱(10)에 장착되어서 상기 회전하는 로터(1)의 외경을 인접하여 감싸게 되고, 이로서 로터(1)의 축경을 따라 이동되는 스팀의 누설을 방지하게 된다.
이때, 상기 글랜드 케이싱(10)은 도 2에서 보는 바와 같이 전체적으로 원형구조를 이루게 되는데, 상하 반체가 조립되는 형상으로 제작된다.
그리고, 상기 팩킹링(20)은 외주연 단부가 글랜드 케이싱(10) 내주연 측에 홈 결합된다. 상기 팩킹링(20)이 삽입되는 홈 내에 유격공간을 형성함으로써, 팩킹링(20)이 동심원 중심방향으로 유동이 가능하게 설치된다.
이때, 상기 팩킹링(20)과 글랜드 케이싱(10) 사이에 탄성부재(30)가 삽입되어 팩킹링(20)을 탄력 지지하게 된다.
이와 같은 탄성부재(30)는 터빈의 운전시 팩킹링(20)이 스팀압력에 의해 밀리지 않고 간극을 일정하게 유지할 수 있는 탄성압력을 제공한다.
상기한 종래기술은 터빈의 초기 기동 또는 과도 운전 상태에서는 로터(1)의 회전이 불안정하여 진동으로 인한 로터(1)와 팩킹링(20) 사이의 상호 간섭이 발생했을 때, 팩킹링(20)이 탄성부재(30)에 탄력 지지되는 상태에서 후퇴됨으로써, 로터(1)와 팩킹링(20) 사이의 충격을 최소화 하게 된다.
그러나, 상기한 종래기술은 도 3내지 도 4에서 보는 바와 같이 터빈 내부의 저압스팀이 글랜드 케이싱(10)의 결합부 또는 팩킹링(20)와의 결합부를 통해 누출되면서, 제품 표면을 침식 및 부식시키는 문제가 있었다.
이와 같은 종래기술의 스팀누출로 인한 침식 및 부식 문제는 팩킹링(20)의 간극을 변화시킬 뿐만 아니라, 손상부위(A)을 용접 또는 밀링 작업을 통해 주기적으로 보수해주어야 하는 번거로움이 있고, 이에 따른 유지비용이 추가로 발생되는 문제가 있었다.
이와 같은 종래기술은 잦은 증기누설로 인한 터빈의 발전효율이 저하되는 것은 물론, 잦은 보수작업으로 인해 터빈의 사용이 중단되어 큰 경제적인 손실을 갖는 문제가 있었다. 또한, 종래기술은 침식 및 부식으로 인해 부품수명이 단축되는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10??0358019(등록일: 2002년10월10일)
종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 글랜드 케이싱의 조립단면에 내식성이 뛰어난 표면개질 용접층을 형성하여 고압 스팀에 의한 침식 및 부식이 방지되도록 함으로써, 터빈 내부의 고압스팀이 글랜드 케이싱 결합부를 통해 누출되는 것을 억제시켜 터빈의 발전효율이 향상되도록 한 저압 터빈용 글랜드 케이싱의 침식 방지구조를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 팩킹링의 구조를 개선시켜 글랜드 케이싱의 링 결합부를 통해 스팀유로가 형성되어 침식 및 부식이 발생되는 것을 방지하고, 이로서 팩킹링의 유격이 항상 일정하게 유지되도록 하고, 부품수명이 연장되는 저압 터빈용 글랜드 케이싱의 침식 방지구조를 제공함에 있다.
본 발명의 일측면에 따르면, 스팀터빈의 로터의 외주부를 감싸도록 글랜드 케이싱이 고정 설치되고, 상기 글랜드 케이싱의 내주연에 로터의 축경을 따라 흐르는 고압스팀의 흐름을 차단하기 위한 팩킹링이 설치되며, 상기 글랜드 케이싱은 상하 반체가 조립되는 형상으로 제작되고, 상기 조립단면에 내식성이 뛰어난 표면개질 용접층을 형성하여 고압 스팀에 의한 침식이 방지되도록 하는 것을 특징으로 하는 저압 터빈용 글랜드 케이싱의 침식 방지구조가 제공될 수 있다.
또한, 상기 표면개질 용접층은 용착 용접방법으로 제작할 수 있다.
이때, 상기 표면개질 용접층을 형성하는 용접재료는 내마모성, 내식성, 내열성 재질로서, SUS계열 합금 및 니켈베이스 합금이 사용될 수 있다.
또한, 상기 팩킹링의 결합날개부에 판 스프링 형상의 탄성부재의 단부가 삽입되는 탄성부재 결합홈을 형성하되, 상기 탄성부재 결합홈의 깊이가 결합날개부의 두께보다 낮게 형성되도록 할 수 있다.
또한, 상기 팩킹링의 원주방향 단부에 맞물림 연결이 가능한 중첩단부를 형성함으로써, 스팀이 링결합부 내로 유입되는 연결통로를 차단할 수 있다.
본 발명은 글랜드 케이싱의 조립단면에 내식성이 뛰어난 표면개질 용접층을 형성하여 고압 스팀에 의한 침식 및 부식이 방지되도록 함으로써, 터빈 내부의 고압스팀이 글랜드 케이싱 결합부를 통해 누출되는 것을 억제시켜 터빈의 발전효율이 향상되는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 팩킹링의 구조를 개선시켜 글랜드 케이싱의 링 결합부를 통해 스팀유로가 형성되어 침식 및 부식이 발생되는 것을 방지하고, 이로서 팩킹링의 유격이 항상 일정하게 유지되도록 하는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 부품수명이 연장되어 경제적인 효과를 갖는다.
도 1은 종래기술의 저압터빈용 글랜드 케이싱 설치구조를 도시한 개략도.
도 2는 종래기술의 저압터빈용 글랜드 케이싱을 도시한 도면대용사진.
도 3은 종래기술의 글랜드 케이싱의 조립단면이 침식 및 부식된 상태를 도시한 도면대용사진.
도 4a 내지 4c는 도 3의 침식 및 부식으로 인한 손상부위를 도시한 확대사진.
도 5는 본 발명에 따른 저압용 글랜드 케이싱이 로터에 설치된 단면을 도시한 개략도.
도 6은 본 발명의 글랜드 케이싱의 조립단면에 표면개질 용접층을 용착 용접방법으로 형성하는 예를 설명하는 개념도.
도 7a, 7b는 본 발명에 따른 글랜드 케이싱의 표면개질 용접층 형성 전, 후의 침식 개선 예를 설명하기 위한 개념도.
도 8a, 8b는 본 발명에 따른 팩킹링의 탄성부재 결합홈의 개선 전, 후를 비교해서 나타낸 사시도.
도 9a는 본 발명에 따른 팩킹링과 팩킹링 사이를 중첩단부를 연결하는 예를 도시한 사시도.
도 9b는 본 발명에 따른 팩킹링과 팩킹링 사이를 중첩단부를 연결하는 예를 개략적으로 도시한 정면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 저압용 글랜드 케이싱이 로터에 설치된 단면을 도시한 개략도이다.
동 도면에서 보는 바와 같은 본 발명은 회전되는 로터(101)와 상기 로터(101)의 외주부에 고정상태로 유지되는 글랜드 케이싱(101) 사이에 팩킹링(120)이 설치된다.
이때, 로터(101)는 스팀의 증기압에 의해 회전되고, 팩킹링(120)은 고정체인 글랜드 케이싱(110)에 장착되어서 상기 회전하는 로터(101)의 외경을 인접하여 감싸게 되고, 이로서 로터(101)의 축경을 따라 이동되는 스팀의 누설을 방지하게 된다.
이때, 상기 글랜드 케이싱(110)은 전체적으로 원형구조를 이루게 되는데, 상하 반체가 조립되는 형상으로 제작되며, 조립단면에 내식성이 뛰어난 표면개질 용접층(110a)을 형성하여 고압 스팀에 의한 침식이 방지되도록 한다.
이때, 상기 표면개질 용접층(110a)은 용착(overlay) 용접방법이 적용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 글랜드 케이싱의 조립단면에 표면개질 용접층을 용착 용접방법으로 형성하는 예를 설명하는 개념도이다.
도 6을 참조하면 본 발명에 적용된 용착 용접방법이라 함은 모재와 오버레이 층간의 경계면이 모재의 일부가 용융된 후 응고하면서 형성되도록 하는 용접기술로서, 이와 같은 용착 용접방법은 도금이나 용사층(수십㎛~1㎜)과는 달리 두껍고(1㎜이상) 매우 견고한 용접층을 형성할 수 있다.
이와 같은 표면개질 용접층(110a)은 내마모성, 내식성, 내열성을 갖는 SUS계열 합금 및 니켈베이스 합금류의 용접재료를 사용하게 되는데, 용접시 용접재료 내부에 있는 플럭스가 녹으면서 생긴 가스가 외부공기를 차단시켜 용착부를 보호하도록 된 자기보호 플럭스 코어 와이어(SS-FCW)를 사용하여 용착할 수 있다.
이와 같은 방법으로 표면개질 용접층(110a)을 형성하는 본 발명은 모재가 되는 글랜드 케이싱(110)을 저가이면서도 고인성(高靭性)의 SM400B재질을 이용할 수 있고, 조립단면에 집중하여 내마모, 내열, 내식성 향상 등의 고성능화 개선을 통해 제품품질이 향상되는 이점을 갖게 된다.
또한, 본 발명은 글랜드 케이싱(110)의 조립단면에 다양한 오버레이 용접재료를 사용할 수 있어 선택폭이 넓고, 모재의 반복사용 가능하기 때문에 생산비용 절감 및 생산성이 향상되는 이점을 갖는다.
상기한 본 발명의 글랜드 케이싱(110)은 장수명화가 가능하고, 이로 인해 터빈의 휴지기간을 최소화시키는데 일조하게 된다.
도 7a, 7b는 본 발명에 따른 글랜드 케이싱의 표면개질 용접층 형성 전, 후의 침식 개선 예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7a에서와 같이 표면개질 용접층(110a)을 형성하기 전에는 글랜드 케이싱(110)의 재질이 내식성이 낮은 재질을 사용함으로써, 조립단면의 침식 및 부식에 의한 손상이 지속적으로 발생되고, 이로 인한 증기누설이 발생되어 터빈의 발전효율 저하시키는 것을 볼 수 있다.
또한, 도 7b에서와 같이 표면개질 용접층(110a)을 형성한 후에는 내식성 합금성분(예: SUS계열 합금)에 포함된 Cr과 Mo성분이 산소(O2)와 반응하여 표면에 높은 밀도로 부동태 피막(Cr2O3) 및 Mo 산화층을 형성하여 염소이온(Cl) 및 H2O와 금속원소 사이에 반응을 억제, 부식을 방지하여 증기의 누설을 예방하게 된다.
그리고, 상기 글랜드 케이싱(110)의 내주연에는 링결합부(111)가 형성되고, 상기 링결합부(111)에 팩킹링(120)의 외주연 단부가 끼워져 결합된다.
이때, 상기 링결합부(111)의 단면 형상은 열십자(+) 형태의 홈으로 제작되며, 이와 같은 열십자(+) 형태의 홈이 원주방향으로 연장되어 링 형태를 이루게 된다.
이때, 상기 열십자(+) 형태 중 하측의 티자(T) 영역 홈에 팩킹링(120)의 외주연 단부가 결합되는 것이다.
상기 팩킹링(120)은 도 8a, 8b에서 보는 바와 같이 일정곡률을 갖는 블록단위로 제작되고, 이들이 연결되어 원형의 링 형상을 이루게 된다.
이와 같은 분할 제작방식은 제작의 편의성은 물론 조립 및 분해 작업을 편리하게 하는 이점을 제공하게 된다.
이때, 상기 팩킹링(120)의 외주연 단부는 티자(T) 형태의 결합날개부(121)를 형성함으로써, 링결합부(111)에 착탈 가능하게 결합된다.
또한, 상기 결합날개부(121)가 삽입되는 링결합부(111) 내에 유격공간을 형성함으로써, 팩킹링(120)이 동심원의 중심방향을 향해 유동되도록 할 수 있고, 상기 링결합부(111) 내에는 탄성부재(130)가 삽입되어 팩킹링(120)를 탄성 가압시켜 로터(101)의 축 중심을 향해 돌출되도록 지지하게 된다.
이때, 상기 탄성부재(130)는 일종의 판 스프링일 수 있고, 상기 판 스프링의 양측 단부를 팩킹링(120)에 결합되도록 할 수 있다.
상기 팩킹링(120)의 결합날개부(121)에는 탄성부재(130)의 단부가 삽입되는 탄성부재 결합홈(121a)을 형성하게 된다.(도 8a, 8b참조)
도 8a, 8b는 본 발명에 따른 팩킹링의 탄성부재 결합홈의 개선 전, 후를 비교해서 나타낸 사시도로서, 개선 전을 나타내는 도 8a는 탄성부재 결합홈(21a)의 깊이가 결합날개부(21)의 두께보다 깊은 것을 볼 수 있다.
하지만, 이와 같은 구조는 탄성부재 결합홈(21a)이 스팀을 링결합부 내부로 유도하는 유입통로의 역할을 하게 되어 링결합부 내의 침식 및 부식이 발생되는 문제가 있었다. 이와 같은 침식 및 부식에 따른 손상부위는 팩킹링(20)의 유격 변화를 유발시켜 팩킹링(20)과 로터 사이의 간섭을 발생시키는 것은 물론, 스팀의 누설량이 증가되는 원인이 되었다.
따라서, 도 8b에서와 같이 본 발명에서는 탄성부재 결합홈(121a)의 깊이가 결합날개부(121)의 두께보다 낮게 형성함으로써, 결합날개부(121)에 의해 스팀의 유입통로가 차단되도록 하였다.
또한, 본 발명에서는 팩킹링(120)과 팩킹링(120)이 연결되는 틈을 이용해 스팀이 링결합부(111) 내로 유입되는 것을 차단하기 위해 도 9a, 9b에서와 같이 팩킹링(120)의 구조가 개선되도록 하였다.
도 9a는 본 발명에 따른 팩킹링과 팩킹링 사이를 중첩단부를 연결하는 예를 도시한 사시도이고, 도 9b는 본 발명에 따른 팩킹링과 팩킹링 사이를 중첩단부를 연결하는 예를 개략적으로 도시한 정면도이다.
동 도면에서 보는 바와 같이 본 발명은 팩킹링(120)의 원주방향 단부에 맞물림 연결이 가능한 중첩단부(124)를 형성함으로써, 로터(101)의 축경을 따라 이동되는 스팀의 누설을 재차 방지하게 된다.
상기 중첩단부(124)는 팩킹링(120)의 일측 단부를 수직방향으로 단차지도록 연장시켜 제1중첩단부(124a)를 형성하고, 타측 단부를 제1중첩단부(124a)와 대향되도록 제2중첩단부(124b)를 형성할 수 있다.
이와 같은 제1중첩단부(124a)와 제2중첩단부(124b)는 원주방향으로 서로 맞물려 결합됨으로써, 축 방향의 스팀흐름을 차단하게 된다.
그리고, 상기 팩킹링(120)의 씰링부(123)의 단면에는 로터(101)의 외경을 감싸는 띠 형상의 씰링투스(125)를 돌출 형성하는데, 이와 같은 씰링투스(125)는 스팀의 축방향 이동경로에 대해 복수 개를 중복 형성되도록 할 수 있다. 또한 상기 씰링투스(125)의 형상은 일직선 형태로 제작할 수도 있으나, 도 5에서 보는 바와 같이 경사진 형태로 제작할 수도 있다.
이때, 상기 씰링투스(125)의 경사방향은 스팀이 토출되는 방향에 대해 역린 형태를 취하도록 할 수 있다. 예를 들면, 도 5를 참조했을 때, 도면의 우측에서 좌측방향으로 스팀이 방출되고, 이에 대응하여 씰링투스(125)가 역린 형태를 취해서 형성된다.
이와 같은 역린형태의 씰링투스(125) 들은 고압의 스팀이 충돌 후, 축 방향으로 쉽게 빠져나가지 못하고 역린 공간 내에 가두어져 맴돌이되도록 함으로써, 에어커튼 역할을 수행할 수 있게 된다.
앞서 살펴본 바와 같은 본 발명은 글랜드 케이싱의 조립단면에 내식성이 뛰어난 표면개질 용접층을 형성하여 고압 스팀에 의한 침식 및 부식이 방지되도록 함으로써, 터빈 내부의 고압스팀이 글랜드 케이싱 결합부를 통해 누출되는 것을 억제시켜 터빈의 발전효율이 향상된다. 또한, 본 발명은 팩킹링의 구조를 개선시켜 글랜드 케이싱의 링 결합부를 통해 스팀유로가 형성되어 침식 및 부식이 발생되는 것을 방지하고, 이로서 팩킹링의 유격이 항상 일정하게 유지될 수 있고, 부품수명이 연장되어 경제적인 이점을 갖는다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것에 불과하므로 이를 제한적으로 이해해서는 안되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
101: 로터
110: 글랜드 케이싱
110a: 표면개질 용접층
111: 링 결합부
120: 팩킹링
121: 결합날개부
121a: 탄성부재결합홈
123: 씰링부
124: 중첩단부
124a: 제1중첩단부
124b: 제2중첩단부
125: 씰링투스
130: 탄성부재

Claims (5)

  1. 스팀터빈의 로터(101)의 외주부를 감싸도록 글랜드 케이싱(110)이 고정 설치되고, 상기 글랜드 케이싱(110)의 내주연에 로터(101)의 축경을 따라 흐르는 고압스팀의 흐름을 차단하기 위한 팩킹링(120)이 설치되며,
    상기 글랜드 케이싱(110)은 상하 반체가 조립되는 형상으로 제작되고, 상기 조립단면에 내식성이 뛰어난 표면개질 용접층(110a)을 형성하여 고압 스팀에 의한 침식이 방지되도록 하며,
    상기 표면개질 용접층(110a)은 용착 용접방법으로 제작하고, 상기 표면개질 용접층(110a)을 형성하는 용접재료는 내마모성, 내식성, 내열성 재질로서, SUS계열 합금 및 니켈베이스 합금이 사용되며,
    상기 팩킹링(120)의 결합날개부(121)에 판 스프링 형상의 탄성부재(130)의 단부가 삽입되는 탄성부재 결합홈(121a)을 형성하되, 상기 탄성부재 결합홈(121a)의 깊이가 결합날개부(121)의 두께보다 낮게 형성되고,
    상기 팩킹링(120)의 원주방향 단부에 맞물림 연결이 가능한 중첩단부(124)를 형성하되,
    상기 표면개질 용접층(110a)을 형성하는 용접재료는 자기보호 플럭스 코어 와이어(SS-FCW)로 이루어지며, 용접모재를 이루는 상기 글랜드 케이싱은 SM400B로 이루어지되, 상기 표면개질 용접층(110a)은 적어도 1mm 이상의 두께를 가지는 것을 특징으로 하며,
    상기 표면개질 용접층(110a)은,
    Cr과 Mo성분이 O2와 반응하여 표면에 Cr2O3 부동태 피막 및 Mo 산화층을 형성하여 Cl및 H2O와 금속원소 사이의 반응을 억제하여 부식을 방지하며,
    상기 팩킹링(120)의 씰링부(123)의 단면에는,
    상기 로터(101)의 외경을 감싸는 띠 형상의 씰링투스(125)가 돌출 형성되며, 상기 씰링투스(125)는 스팀의 축방향 이동경로를 따라 복수 개가 형성되되, 상기 씰링투스(125)는 스팀이 토출되는 방향에 대해 역린 형태를 취하도록 경사진 것을 특징으로 하는 저압 터빈용 글랜드 케이싱의 침식 방지구조.
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