KR101353840B1 - 단류형 터빈에 있어서의 냉각 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

고온 증기가 도입되는 저압 터빈보다 고압측의 단류형 터빈에 있어서, 더미 링 및 상기 더미 링의 내측에 배치되는 로터의 냉각 효과를 향상시키는 동시에, 더미 링측으로 주증기가 누설되는 것을 방지하여, 열효율의 저하를 억제하는 것을 목적으로 한다. 단류형 초고압 터빈(10A)의 더미 링(26)에 냉각 증기 공급관(32)을 설치하여, 570℃ 이하의 보일러의 추기 증기를 냉각 증기(S4)로 하여 더미 링(26)과 터빈 로터(12) 사이의 간극(c)에 공급한다. 냉각 증기(S4)는 주증기(S1) 중 더미 링(26)측으로 누설된 누설 증기(S2)보다 저온이고 또한 고압의 압력을 갖는다. 이 냉각 증기(S4)를 공급함으로써, 주증기(S1)로부터 분리되어 더미 링(26)측으로 누설되어 오는 누설 증기(S2)의 침입을 억제하여, 더미 링(26)과 그 내측의 용접부(w) 및 내열성이 낮은 제2 로터부(12b)를 냉각한다.

Description

단류형 터빈에 있어서의 냉각 방법 및 장치 {COOLING METHOD AND DEVICE IN SINGLE-FLOW TURBINE}
본 발명은 증기 터빈 발전 설비에 내장되어, 고온 증기가 도입되는 고압측 단류형 터빈의 더미 링 및 상기 더미 링의 내측에 배치되는 로터를 냉각하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근, 에너지 절약과 환경 보전(CO2의 저감)의 필요성이 점점 강해지는 가운데, 증기 터빈 발전 플랜트에 있어서도, 대용량화와 열효율 향상의 필요성이 요구되고 있다. 열효율 향상은 주증기의 온도와 압력을 높게 함으로써 행해져 왔다. 증기 터빈을 포함하는 석탄 화력 발전에서는, 현재, 최고 600℃ 전후의 증기 온도가 채용되고 있지만, 금후, 가일층의 열효율 향상을 위해, 700 내지 750℃의 고온 증기를 채용한 발전 플랜트가 요구되고 있다.
한편, 터빈 로터에는 터빈 로터의 회전에 의해 높은 응력이 발생한다. 그로 인해, 터빈 로터는 고온, 고응력에 견딜 필요가 있어, 주증기의 고온화의 추세 가운데, 터빈 로터의 냉각 기술이 중요 과제로 되고 있다. 600℃급의 증기 조건에서는, 터빈 로터, 동익 등의 주요 부재에는 이 증기 조건에 견딜 수 있는 12％ Cr강 등의 고크롬강(페라이트계 내열강)이 사용되고 있다.
그러나, 700℃급의 증기 조건을 채용하면, 12％ Cr강 등의 고크롬강으로는 강도 부족으로 된다. 따라서, 터빈 로터의 재료로서, 더욱 높은 고온 강도를 갖는 Ni기 합금을 적용하는 것이 생각된다. 그러나, Ni기 합금은 대형 덩어리의 제조가 어렵고, 또한 고가이므로, Ni기 합금만을 사용하여 터빈 로터를 제조하는 것은 현실적이지 않다.
특허 문헌 1에는 Ni기 합금으로 구성하는 것이 필수인 고온 부위에만 Ni기 합금을 사용하고, 그 이외의 부위를 CrMoV강 등의 철강 재료로 구성한 터빈 로터가 개시되어 있다. 이 터빈 로터는 650℃ 이상의 고온 증기가 도입되는 부위를 Ni기 합금으로 구성하고, 그 이외의 부위를 CrMoV강으로 구성하여, Ni기 합금으로 이루어지는 부위와 CrMoV강으로 이루어지는 부위를 용착에 의해 연결하고, 상기 연결부 및 CrMoV강으로 이루어지는 부위를 580℃ 이하로 유지하도록 하고 있다. CrMoV강으로서, Cr을 9.0 내지 10중량％ 함유하는 고Cr강이나, Cr을 0.85 내지 2.5중량％ 함유하는 저CrMoV강을 들 수 있다.
도 4에 종래의 단류형 초고압 터빈의 일부의 정면에서 본 단면을 도시한다. 도 4에 있어서, 단류형 초고압 터빈(100)은 터빈 로터(102)를 둘러싸고 내부 차실(104)이 설치되고, 내부 차실(104)의 외측에, 내부 차실(104)을 둘러싸고 외부 차실(106)이 설치되어 있다. 내부 차실(104)의 내측에 노즐실(108)이 설치되어 있다. 주증기 공급관(114)이 외부 차실(106) 및 내부 차실(104)을 관통하여 래디얼 방향으로 배치되고, 노즐실(108)에 접속되어 있다. 노즐실(108)에서는 터빈 익렬을 향해 주증기 분사구(110)가 형성되어, 터빈 익렬을 향해 주증기(S1)가 분사된다.
주증기 분사구(110)의 바로 하류측에 있어서, 초단 동익(112)이 터빈 로터(102)의 초단 동익부(102a)에 심어 설치되어 있다. 주증기(S1)의 분사에 의해 초단 동익(112)에 회전력이 부여된다. 초단 동익(112)의 하류측에, 내부 차실(104)에 심어 설치된 복수의 정익과 터빈 로터(102)에 심어 설치된 복수의 동익이 교대로 배치된 다단 익렬(도시 생략)이 배치되고, 상기 다단 익렬을 통과하는 주증기(S1)에 의해 터빈 로터(102)에 회전력을 부여하고 있다.
노즐실(108)의 배후에는 익렬부의 스러스트를 밸런스시키기 위한 더미 링(116)이 설치되어 있다. 더미 링(116)에 대면하여 터빈 로터(102)의 더미부(102b)가 설치되어 있다. 더미 링(116)과 더미부(102b) 사이의 간극(c)에, 증기의 침입을 억제하는 래버린스 시일(118)이 설치되어 있다. 주증기 분사구(110)로부터 분사된 주증기(S1)의 일부는 터빈 로터(102)와 노즐실(108) 외면 사이의 간극으로부터 더미 링(116)측으로 누설된다.
외부 차실(106) 및 더미 링(116)에는 래디얼 방향으로 배기 증기 배출관(120)이 관통하여 배치되고, 배기 증기 배출관(120)의 선단은 간극(c)에 연통되어 있다.
더미 링(116)측으로 누설된 누설 증기(S2)는, 간극(c)을 통해 배기 증기 배출관(120)에 도달하고, 배기 증기 배출관(120)을 거쳐서 후단측의 고압 터빈으로 증기를 보내는 증기관(122)에 합류한다. 이 누설 증기(S2)가 배기 증기 배출관(120)을 통과함으로써, 터빈 로터(102)에 가해지는 스러스트력을 밸런스시키는 역할도 있다.
이와 같이, 단류형 초고압 터빈(100) 등, 고압측의 단류형 터빈에서는, 터빈 로터(102)를 회전시키는 일을 하고 있지 않은 고온의 증기가 더미 링(116)측으로 누설되어, 더미 링(116)과 터빈 로터(102)의 더미부(102b) 사이의 간극(c)을 통과하므로, 더미 링(116)과 터빈 로터(102)가 고온 분위기에 노출된다. 그로 인해, 종래부터, 이 부분을 냉각하는 냉각 수단이 제안되어 왔다.
예를 들어, 특허 문헌 2의 도 1에 도시된 단차실형 증기 터빈에는, 고압 터빈부로부터 배출되는 배기 증기의 일부를, 배관(105)을 통해 중압 터빈부의 익렬 입구부(44)(특허 문헌 2 중에서의 부호)에 냉각 증기로서 공급하는 구성이 개시되어 있다.
또한, 특허 문헌 3의 도 1에 도시된 단차실형 증기 터빈에는, 마찬가지로, 고압 터빈부로부터 배출되는 배기 증기의 일부를, 스러스트 밸런스관(106)을 통과시켜 중압 터빈부의 입구부(44)(특허 문헌 3 중에서의 부호)에 냉각 증기로서 공급하는 구성이 개시되어 있다.
특히, 터빈 로터(102)가, Ni기 합금이나 CrMoV강 등의 이종 재료로 이루어지는 부위를 용착 등의 수단으로 연결하여 구성되어 있으면, 이 연결부는 다른 부위보다 고온 강도가 저하된다. 이 연결부가 간극(c)에 위치한 경우, 상기 연결부가 고온의 누설 증기에 노출된다. 이에 의해, 상기 연결부의 강도가 저하될 우려가 있는 경우에는, 특별한 수명 관리가 필요해진다.
이 대책으로서, 특허 문헌 4의 도 13에는 터빈 로터의 연결부(볼트 결합부)를 덮는 차폐판(22)(특허 문헌 4 중에서의 부호)을 설치하고, 상기 차폐판(22)으로 냉각 증기를 보내는 냉각 증기 공급관을 접속하여, 상기 차폐판(22)의 내부에 냉각 증기를 보냄으로써, 상기 연결부를 냉각하는 냉각 수단이 개시되어 있다.
일본 특허 출원 공개 제2008-88525호 공보 일본 실용신안 출원 공개 평1-113101호 공보(도 1) 일본 특허 출원 공개 평9-125909호 공보(도 1) 일본 특허 출원 공개 제2000-274208호 공보(도 13)
특허 문헌 2의 도 1이나 특허 문헌 3의 도 1에 도시된 단차실형 증기 터빈의 냉각 수단은 모두 중압 터빈부의 입구부를 냉각하는 것으로, 더미 링 및 상기 더미 링의 내측에 위치하는 터빈 로터의 더미부를 냉각하는 것이 아니다.
즉, 특허 문헌 1이나 특허 문헌 2에 개시된 단차실형 증기 터빈에서는, 고압측 터빈부의 배기 증기가 고압측 터빈부와 중압 터빈부를 구획하는 더미 링과 중압 터빈부 사이에 공급된다. 이 배기 증기는 고압측 터빈부에 공급된 주증기로부터 분리되어 더미 링과 터빈 로터의 더미부의 간극으로 흘러오는 누설 증기보다 저압으로 되어 있으므로, 중압 터빈부측으로 흐른다.
그로 인해, 상기 배기 증기와 상기 누설 증기가 합류하여 중압 터빈부측으로 흘러, 중압 터빈부를 냉각하도록 되어 있다. 따라서, 더미 링과 터빈 로터의 더미부를, 상기 누설 증기의 증기 온도 이하로는 냉각할 수 없다.
또한, 특허 문헌 4에 개시된 냉각 수단은 냉각 증기를 어떤 증기원으로부터 공급하는지, 혹은 냉각 증기를 어떤 압력으로 차폐판(22)의 내부에 공급하는지 등에 대해 구체적인 기술이 없고, 단순한 아이디어가 개시되어 있는 것에 지나지 않는다.
이와 같이, 단류형 터빈의 더미 링 및 이 더미 링의 내측에 배치된 터빈 로터를 냉각할 수 있는 수단은 없고, 고온 강도가 요구된다. 또한, 더미 링측으로 누설된 주증기는 터빈 로터에 대해 일을 하지 않으므로, 불필요한 증기로 되어, 단류형 터빈의 열효율을 저하시킨다고 하는 문제도 있다.
본 발명은 이러한 종래 기술의 과제를 감안하여, 고온 증기가 도입되는 저압 터빈보다 고압측의 단류형 터빈에 있어서, 상기 단류형 터빈의 더미 링 및 상기 더미 링의 내측에 배치되는 로터의 효과적인 냉각 수단을 실현하는 동시에, 더미 링측으로 주증기가 누설되는 것을 방지하여, 열효율의 저하를 억제하는 것을 목적으로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 단류형 터빈에 있어서의 냉각 방법은 증기 터빈 발전 설비에 내장되고 저압 터빈보다 고압측인 단류형 터빈이며, 상기 단류형 터빈의 더미 링 및 상기 더미 링의 내측에 배치되는 로터를 냉각하는 단류형 터빈에 있어서의 냉각 방법에 있어서, 증기 터빈 발전 설비 내에서 발생하고, 상기 단류형 터빈에 공급되는 주증기 중 더미 링측으로 누설된 누설 증기보다 저온이고 또한 고압인 냉각 증기를, 더미 링에 설치된 냉각 증기 공급로에 공급하는 냉각 증기 공급 공정과, 냉각 증기를 냉각 증기 공급로를 통해 더미 링과 로터 사이에 형성되는 간극에 도입하고, 상기 간극에 유통시켜, 더미 링 및 로터를 냉각하는 냉각 공정으로 이루어지는 것이다.
본 발명 방법에서는 단류형 터빈에 공급되는 주증기 중 더미 링측으로 누설된 누설 증기보다 저온이고 또한 고압인 냉각 증기를 더미 링에 설치된 냉각 증기 공급로를 통해, 더미 링과 로터 사이의 간극에 공급하도록 한다. 이에 의해, 더미 링의 주변 영역을 고압의 냉각 증기로 채워, 이 영역에 주증기로부터 분리된 누설 증기가 침입하는 것을 억제할 수 있다. 그로 인해, 더미 링 및 더미 링 내측 부근의 로터의 냉각 효과를 전술한 종래의 냉각 수단보다 향상시킬 수 있다.
이에 의해, 더미 링이나 터빈 로터의 온도 상승을 방지하여, 더미 링이나 로터를 특별한 수명 관리를 하는 일 없이, 장기 수명화할 수 있다. 따라서, 로터 등에 사용되는 소재의 선택의 자유도를 늘릴 수 있다. 또한, 더미 링의 부근에서, 로터 재료로서 특히 내열성이 우수한 Ni기 합금의 광영역에서의 사용이 불필요해져, Ni기 합금으로 이루어지는 로터의 제작 사이즈를 작게 할 수 있으므로, 로터의 제조가 용이해진다.
본 발명에서는 냉각 증기로서, 증기 터빈 발전 설비에서 발생하는 증기를 적절하게 선택하여 사용할 수 있으므로, 냉각 증기의 확보가 용이해진다.
단류형 터빈에 공급되는 주증기는 더미 링측으로 누설된 누설 증기보다 고온이고 또한 고압이다. 그로 인해, 본 발명 방법에 있어서, 냉각 증기를 주증기보다 저온이고 또한 주증기와 동등압 또는 주증기보다 고압으로 하면 좋다. 이에 의해, 더미 링의 주변 영역을 고압의 냉각 증기로 채워, 이 영역에 주증기로부터 분리된 누설 증기가 침입하는 것을 용이하게 억제할 수 있다.
또한, 상기 발명에 있어서, 상기 각 공정에 추가하여, 냉각 공정에서 상기 더미 링 및 로터의 냉각에 제공한 후의 냉각 증기를, 냉각 증기 공급로로부터 주증기를 공급하는 노즐실 부근의 상기 더미 링에 형성된 냉각 증기 배출로로부터 상기 누설 증기와 함께, 단류형 터빈의 익렬단 사이부 또는 후단측 증기 터빈에 증기를 공급하는 배기 증기관으로 배출하도록 한 배출 공정을 부가하면 좋다. 이와 같이, 더미 링과 로터의 냉각에 제공한 후의 냉각 증기를, 냉각 증기 배출로를 통해 누설 증기와 함께, 단류형 터빈의 익렬단 사이부 또는 배기 증기관으로 배출하도록 하였으므로, 이들 증기를 후류단 및 중압/저압 터빈의 증기의 일부로서 회수할 수 있다.
따라서, 누설 증기의 유통 영역 이외의 간극 영역을 냉각 증기로 채울 수 있으므로, 더미 링 및 로터의 냉각 효과를 전술한 종래의 냉각 수단보다 향상시킬 수 있다.
또한, 누설 증기 및 냉각에 제공한 후의 냉각 증기를 상기 냉각 증기 배출로로부터 배출시킴으로써, 냉각 증기를 후류단 및 중압/저압 터빈의 증기의 일부로서 회수할 수 있다.
본 발명에 있어서, 냉각 증기를 570℃ 이하의 온도에서 냉각 증기 공급로에 공급하도록 하면 좋다. 이에 의해, 로터가 Ni기 합금이 아니라, 12％ Cr강, CrMoV강 등의 내열강제 재료로 이루어지는 것이라도, 특별한 수명 관리를 하는 일 없이, 로터를 장기 수명화할 수 있다.
본 발명에 있어서, 냉각 증기가, 초고압 터빈 혹은 고압 터빈의 배기 증기 혹은 익렬부의 추기 증기이거나, 또는 보일러의 추기 증기이면 좋다. 이에 의해, 증기 터빈 발전 설비 내에서, 냉각 증기를 용이하게 확보할 수 있다.
본 발명에 있어서, 단류형 터빈의 주증기 온도가 700℃ 이상의 고온인 경우라도, 냉각 증기를 냉각 증기 공급로에 공급함으로써, 더미 링 및 더미 링 내측의 로터를 냉각하여, 더미 링이나 로터의 장기 수명화를 가능하게 한다.
로터가, 내열성 재료로 이루어지는 제1 로터부와, 상기 제1 로터부보다 내열성이 낮은 재료로 이루어지는 제2 로터부가 연결부를 통해 연결되고, 상기 연결부가 더미 링의 내측에 배치되어 있는 경우가 있다. 본 발명에 따르면, 제2 로터부 및 연결부의 냉각 효과를 향상시킬 수 있으므로, 상기 제2 로터부 및 상기 연결부에 대해 특별한 수명 관리를 하는 일 없이, 이들의 강도 저하를 방지하여, 장기 수명화를 달성할 수 있다.
상기 발명의 실시에 직접 사용 가능한 단류형 터빈에 있어서의 냉각 장치는, 증기 터빈 발전 설비에 내장되고 저압 터빈보다 고압측의 단류형 터빈이며, 단류형 터빈의 더미 링 및 상기 더미 링의 내측에 배치되는 로터를 냉각하는 단류형 터빈에 있어서의 냉각 장치에 있어서, 더미 링에 형성되어 상기 더미 링과 로터 사이의 간극에 개방되는 냉각 증기 공급로와, 상기 냉각 증기 공급로에 접속되어, 증기 터빈 발전 설비 내에서 발생하여 단류형 터빈에 공급되는 주증기 중 더미 링측으로 누설된 누설 증기보다 저온이고 또한 고압인 냉각 증기를 상기 냉각 증기 공급로에 공급하는 냉각 증기관을 구비하고, 상기 냉각 증기를 상기 냉각 증기 공급로를 통해 더미 링과 로터의 간극에 유통시켜 상기 더미 링 및 로터를 냉각하도록 구성한 것이다.
본 발명 장치에서는 단류형 터빈에 공급되는 주증기 중 더미 링측으로 누설된 누설 증기보다 저온이고 또한 고압인 냉각 증기를, 더미 링에 설치된 냉각 증기 공급로를 통해, 더미 링과 로터 사이의 간극에 공급한다. 이에 의해, 더미 링의 주변 영역을 고압의 냉각 증기로 채워, 이 영역에 주증기로부터 분리된 누설 증기가 침입하는 것을 억제할 수 있다. 그로 인해, 더미 링 및 더미 링 내측 부근의 로터의 냉각 효과를 전술한 종래의 냉각 수단보다 향상시킬 수 있다. 따라서, 로터 등에 사용되는 소재의 선택의 자유도를 늘릴 수 있는 동시에, 더미 링이나 터빈 로터의 온도 상승을 방지하여, 특별한 수명 관리를 하는 일 없이, 장기 수명화할 수 있다.
단류형 터빈에 공급되는 주증기는 더미 링측으로 누설된 누설 증기보다 고온이고 또한 고압이다. 그로 인해, 본 발명 장치에 있어서, 냉각 증기를 주증기보다 저온이고 또한 주증기와 동등압 또는 주증기보다 고압으로 하면 좋다. 이에 의해, 더미 링의 주변 영역을 고압의 냉각 증기로 채워, 이 영역에 주증기로부터 분리된 누설 증기가 침입하는 것을 용이하게 억제할 수 있다.
상기 장치에 있어서, 냉각 증기 공급로로부터 주증기를 공급하는 노즐실 부근의 더미 링에 형성되어, 더미 링과 로터 사이의 간극에 개방되는 동시에, 단류형 터빈의 익렬단 사이부 또는 후단측 증기 터빈에 증기를 공급하는 배기 증기관에 접속된 냉각 증기 배출로를 구비하고, 냉각 증기를 상기 간극에 유통시켜 상기 더미 링 및 로터를 냉각한 후, 상기 냉각 증기 배출로로부터 누설 증기와 함께 상기 배기 증기관으로 배출하도록 구성하면 좋다.
이에 의해, 더미 링 및 로터의 냉각에 제공한 후의 냉각 증기를, 주증기로부터 분리된 누설 증기와 함께 냉각 증기 배출로로부터 배출하도록 하였으므로, 이들 증기를 후류단 및 중압/저압 터빈의 증기의 일부로서 회수할 수 있다. 그리고, 누설 증기의 유통 영역 이외의 간극 영역을 냉각 증기로 채울 수 있으므로, 더미 링 및 로터의 냉각 효과를 전술한 종래의 냉각 수단보다 향상시킬 수 있다.
본 발명 장치에 있어서, 냉각 증기가 570℃를 초과하는 온도인 경우에, 냉각 증기관에 냉각 증기를 570℃ 이하의 온도로 냉각하는 냉각 장치를 개재 설치하여, 상기 냉각 증기를 상기 냉각 장치에서 570℃ 이하의 온도로 냉각하여 냉각 증기 공급로에 공급하도록 구성하면 좋다. 이에 의해, 증기 터빈 발전 설비로부터 얻은 냉각 증기가 570℃를 초과하는 온도라도, 상기 냉각 증기를 570℃ 이하로 하여 냉각 증기 공급로에 공급할 수 있으므로, 더미 링 및 로터의 냉각 효과를 확실하게 발휘시킬 수 있다. 그로 인해, 증기 터빈 발전 설비로부터 570℃ 이하의 냉각 증기원을 얻는 것이 용이해진다.
본 발명 방법에 따르면, 증기 터빈 발전 설비에 내장되고 저압 터빈보다 고압측의 단류형 터빈이며, 상기 단류형 터빈의 더미 링 및 상기 더미 링의 내측에 배치되는 로터를 냉각하는 단류형 터빈에 있어서의 냉각 방법에 있어서, 증기 터빈 발전 설비 내에서 발생하고, 상기 단류형 터빈에 공급되는 주증기 중 더미 링측으로 누설된 누설 증기보다 저온이고 또한 고압인 냉각 증기를, 더미 링에 설치된 냉각 증기 공급로에 공급하는 냉각 증기 공급 공정과, 냉각 증기를 상기 냉각 증기 공급로를 통해 더미 링과 로터 사이에 형성되는 간극에 도입하고, 상기 간극에 유통시켜, 더미 링 및 로터를 냉각하는 냉각 공정으로 이루어지므로, 주증기로부터 분리된 누설 증기의 더미 링측으로의 침입을 억제하여, 상기 간극의 전체 영역에 냉각 증기를 골고루 퍼지게 할 수 있으므로, 더미 링 및 로터의 냉각 효과를 전술한 종래의 냉각 수단보다 향상시킬 수 있다.
이에 의해, 더미 링이나 터빈 로터의 온도 상승을 방지하여, 더미 링이나 로터를 특별한 수명 관리를 하는 일 없이, 장기 수명화할 수 있다. 따라서, 로터 등에 사용되는 소재의 선택의 자유도를 늘릴 수 있는 동시에, 특히 내열성이 우수한 Ni기 합금 등으로 이루어지는 로터의 제작 사이즈를 작게 할 수 있으므로, 로터의 제조가 용이해진다.
본 발명에 따르면, 증기 터빈 발전 설비에 내장되고 저압 터빈보다 고압측의 단류형 터빈이며, 상기 단류형 터빈의 더미 링 및 상기 더미 링의 내측에 배치되는 로터를 냉각하는 단류형 터빈에 있어서의 냉각 장치에 있어서, 더미 링에 형성되어 상기 더미 링과 로터 사이의 간극에 개방되는 냉각 증기 공급로와, 상기 냉각 증기 공급로에 접속되고, 증기 터빈 발전 설비 내에서 발생하고 단류형 터빈에 공급되는 주증기보다 저온이고 또한 상기 주증기와 동등압 또는 주증기보다 고압의 냉각 증기를 상기 냉각 증기 공급로에 공급하는 냉각 증기관을 구비하고, 냉각 증기를 냉각 증기 공급로를 통해 더미 링과 로터의 간극에 유통시켜 상기 더미 링 및 로터를 냉각하도록 구성한 것에 의해, 본 발명 방법과 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명을 단류형 초고압 터빈에 적용한 제1 실시 형태에 관한 초고압 터빈의 일부의 정면에서 본 단면도이다.
도 2는 본 발명을 단류형 초고압 터빈에 적용한 제2 실시 형태에 관한 초고압 터빈의 일부의 정면에서 본 단면도이다.
도 3은 본 발명을 단류형 초고압 터빈에 적용한 제3 실시 형태에 관한 초고압 터빈의 일부의 정면에서 본 단면도이다.
도 4는 종래의 단류형 초고압 터빈의 일부의 정면에서 본 단면도이다.
이하, 본 발명을 도면에 도시한 실시 형태를 사용하여 상세하게 설명한다. 단, 이 실시 형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대 배치 등은 특별히 특정적인 기재가 없는 한, 본 발명의 범위를 그것만으로 한정하는 취지는 아니다.
(제1 실시 형태)
다음에, 본 발명을 단류형 초고압 터빈에 적용한 제1 실시 형태를 도 1에 기초하여 설명한다. 도 1은 본 실시 형태에 관한 단류형 초고압 터빈(10A)의 정면에서 본 단면도이다. 단류형 초고압 터빈(10A)은 증기 터빈 발전 플랜트에 내장되어 있다. 도 1에 있어서, 단류형 초고압 터빈(10A)은 터빈 로터(12)를 둘러싸고 내부 차실(14)이 설치되고, 내부 차실(14)의 외측에, 내부 차실(14)을 둘러싸고 외부 차실(16)이 설치되어 있다. 내부 차실(14)의 내측에 주증기를 분사하는 노즐실(18)이 설치되어 있다. 주증기 공급관(24)이 외부 차실(16) 및 내부 차실(14)을 관통하여 래디얼 방향으로 배치되고, 그 선단이 노즐실(18)에 개방되어 있다.
노즐실(18)에는 터빈 익렬을 향해 주증기 분사구(20)가 형성되고, 주증기 공급관(24)에 공급된 주증기(S1)는 주증기 분사구(20)로부터 터빈 익렬을 향해 분사된다.
주증기 분사구(20)의 바로 하류측에 있어서, 초단 동익(22)이 터빈 로터(12)의 초단 동익부(12c)에 심어 설치되고, 주증기 분사구(20)로부터 분사된 주증기(S1)가 초단 동익(22)에 회전력을 부여한다. 초단 동익(22)의 하류측에, 내부 차실(14)에 심어 설치된 복수의 정익과 터빈 로터(12)에 심어 설치된 복수의 동익이 교대로 배치된 반동식 다단 익렬(도시 생략)이 배치되고, 상기 다단 익렬을 통과하는 주증기(S1)에 의해 터빈 로터(12)에 회전력이 부여된다.
노즐실(18)의 배후에는 익렬부의 스러스트를 밸런스시키기 위한 더미 링(26)이 설치되어 있다. 더미 링(26)과, 상기 더미 링(26)에 대향하는 터빈 로터(12)의 더미부(12d) 사이의 간극(c)에 래버린스 시일(28)이 설치되어 있다. 터빈 로터(12)는 제1 로터부(12a)와 제2 로터부(12b)가 용접부(w)로 연결되어 이루어진다. 700℃ 이상의 고온의 주증기(S1)에 접하는 제1 로터부(12a)는 내열성이 우수한 Ni기 합금으로 제조되고, 주증기(S1)에 직접 접하지 않는 제2 로터부(12b)는 Ni기 합금에 비해 약간 내열성이 낮은 12％ Cr강 등의 내열강으로 제조되어 있다. 용접부(w)는 더미 링(26)의 내측에서, 냉각 증기 공급관(32)의 개구 근방에 위치하고 있다.
냉각 증기 공급관(32)이 외부 차실(16) 및 내부 차실(14)을 관통하여 래디얼 방향으로 배치되고, 간극(c)에 개방되어 있다. 냉각 증기 공급관(32)에는 증기관(34)이 접속되고, 도시 생략의 보일러로부터 추기된 추기 증기가 냉각 증기(S4)로서 증기관(34)을 통해 냉각 증기 공급관(32)에 공급된다. 냉각 증기(S4)는 주증기(S1)의 증기압(P1)과 동등 또는 상기 증기압(P1)보다 고압의 증기압(P4)을 갖고, 또한 570℃ 이하의 온도로 냉각 증기 공급관(32)에 공급된다.
이러한 구성에 있어서, 주증기 분사구(20)로부터 분사된 주증기(S1)의 일부는 터빈 로터(12)와 노즐실(18) 사이의 간극으로부터 누설 증기(S2)로서 더미 링(26)측으로 누설되어 올 우려가 있다. 한편, 냉각 증기 공급관(32)으로부터 전술한 압력 및 온도를 갖는 냉각 증기(S4)가 간극(c)에 공급되므로, 냉각 증기(S4)는 누설 증기(S2)에 저항하여, 누설 증기(S2)의 더미 링(26)측으로의 침입을 억제하고, 간극(c)의 전체 영역에 유통한다.
이때, 각 영역의 압력은 다음 수학식 1의 관계를 갖는다.
Figure 112012001650762-pct00001
여기서, P2는 누설 증기(S2)의 증기압이고, P5는 외부 차실(16)과 내부 차실(14) 사이의 공간(S5)의 압력이다. 냉각 증기(S4)의 증기압(P4)은 공간(S5)의 압력(P5)에 대해 고압이므로, 냉각 증기 공급관(32)과 공간(S5)으로 통하는 간극(c)의 출구 사이에, 복수의 래버린스 시일(28)을 설치하여, 증기의 누설을 방지하고 있다.
본 실시 형태에 따르면, 냉각 증기(S4)를 간극(c)에 공급하여, 냉각 증기(S4)가 갖는 증기압(P4)과 누설 증기(S2)의 압력(P2)의 압력차에 의해, 누설 증기(S2)가 더미 링(26)측으로 침입하는 것을 억제할 수 있다.
이에 의해, 누설 증기(S2)로부터 더미 링(26) 및 터빈 로터(12)로의 열전도를 없앨 수 있다. 그로 인해, 더미 링(26) 및 더미 링(26) 내측의 더미부(12d)를 포함하는 노즐실 하부 부근의 터빈 로터(12)를 570℃ 이하로 냉각할 수 있는 동시에, 고온 강도가 떨어지는 용접부(w)도 효과적으로 냉각할 수 있다.
따라서, 용접부(w) 및 제2 로터부(12b)에 대해 특별한 수명 관리가 필요하지 않게 되는 동시에, 터빈 로터(12)의 회전에 제공되지 않는 불필요한 누설 증기(S2)를 저감시킬 수 있으므로, 단류형 초고압 터빈(10A)의 열효율을 향상시킬 수 있다.
(제2 실시 형태)
다음에, 본 발명을 단류형 초고압 터빈에 적용한 제2 실시 형태를 도 2에 기초하여 설명한다. 도 2에 도시하는 단류형 초고압 터빈(10B)에 있어서, 냉각 증기 공급관(32)이 외부 차실(16) 및 내부 차실(14)을 관통하여, 래디얼 방향으로 배치되고, 상기 제1 실시 형태의 냉각 증기 공급관(32)에 비해, 공간(S5) 부근의 더미 링(26)에 설치되고, 그 선단은 간극(c)에 개방되어 있다. 또한, 냉각 증기 배출관(42)이 외부 차실(16) 및 내부 차실(14)을 관통하여, 래디얼 방향으로 배치되고, 냉각 증기 공급관(32)보다 노즐실(18)측에 위치하는 더미 링(26)에 설치되어 있다. 냉각 증기 공급관(32)의 선단은 간극(c)에 개방되어 있다.
냉각 증기 배출관(42)은 배기 증기관(44)을 통해 도시 생략의 고압 터빈에 주증기를 공급하는 주증기관에 접속되어 있다. 그 밖의 구성은 상기 제1 실시 형태와 동일하므로, 그들의 동일 부분의 설명을 생략한다.
단류형 초고압 터빈(10B)의 익렬 단부로부터 추기된 570℃ 이하의 추기 증기가, 냉각 증기(S4)로서 증기관(40)을 통해 냉각 증기 공급관(32)에 공급된다. 냉각 증기(S4)는 냉각 증기 공급관(32)으로부터 간극(c)에 도달하여, 간극(c)을 유통한다. 이에 의해, 더미 링(26) 및 상기 더미 링(26) 내측의 더미부(12d)를 포함하는 터빈 로터(12)를 냉각한다. 냉각에 제공한 후의 냉각 증기(S4)는 냉각 증기 배출관(42)으로부터 배기 증기(S3)로서 배출되고, 배기 증기(S3)는 배기 증기관(44)을 통해, 단류형 초고압 터빈(10B)의 익렬단 사이부, 또는 및 도시 생략의 고압 터빈에 주증기를 공급하는 주증기관으로 보내진다.
본 실시 형태에서는, 냉각 증기(S4)는 다음 수학식 2의 압력 조건을 만족시키도록 설정되어 있다.
Figure 112012001650762-pct00002
여기서, P1은 주증기(S1)의 증기압, P2는 주증기(S1)로부터 분기하여, 터빈 로터(12)와 노즐실(18) 사이의 간극으로부터 더미 링(26)측으로 분기한 누설 증기(S2), P3은 냉각 증기 배출관(42) 내를 흐르는 배출 증기의 증기압, P4는 냉각 증기 공급관(32)에 공급되는 냉각 증기(S4)의 증기압, P5는 외부 차실(16)과 내부 차실(14) 사이에 형성되는 공간(S5)의 압력이다. 이들의 압력 관계를 유지하기 위해, 간극(c)에는 래버린스 시일(28)을 적절하게 배치하여, 간극(c)의 시일 성능을 확보하고 있다.
본 실시 형태에서는, 주증기 분사구(20)로부터 분사된 주증기(S1) 중, 미소한 일부는, 누설 증기(S2)로서 터빈 로터(12)와 노즐실(18) 사이의 간극으로부터 더미 링(26)측으로 누설된다. 이 누설 증기(S2)는 간극(c)을 통해 냉각 증기 배출관(42)으로부터 배출된다. 또한, 제1 로터부(12a)와 제2 로터부(12b)의 용접부(w)는 냉각 증기 공급관(32)의 개구와 냉각 증기 배출관(42)의 개구 사이에서 냉각 증기 공급관(32)의 개구 근방에 위치하고 있다.
본 실시 형태에 따르면, 증기압(P4)을 갖는 냉각 증기(S4)를 냉각 증기 공급관(32)으로부터 공급하고 있으므로, 냉각 증기 배출관(42)의 개구로부터 냉각 증기 공급관(32) 부근의 간극(c)은 P4>P2>P3≥P5이므로 냉각 증기(S4)에 의해서만 충만된다. 그로 인해, 이 영역의 더미 링(26) 및 터빈 로터(12)의 냉각 효과를 향상시킬 수 있다. 또한, 용접부(w) 및 제2 로터부(12b)는 이 영역에 위치하고 있으므로, 이들의 냉각 효과를 향상시킬 수 있다. 주증기(S1)로부터 분리된 누설 증기(S2)는 냉각에 제공한 후의 냉각 증기(S4)와 함께, 냉각 증기 배출관(42)으로부터 배출되므로, 이들 증기는 후류단 및 중압/저압 터빈의 증기의 일부로서 회수할 수 있다.
이와 같이, 냉각 증기 배출관(42)의 개구 위치로부터 냉각 증기 공급관(32) 부근의 영역의 냉각 효과를 향상시킬 수 있으므로, 내열성이 낮은 용접부(w) 및 제2 로터부(12b)의 냉각 효과를 향상시킬 수 있다. 따라서, 터빈 로터(12)에 대해 특별한 수명 관리를 필요로 하지 않고, 터빈 로터(12)의 장기 수명화를 달성할 수 있다.
또한, 냉각에 제공한 후의 냉각 증기(S4) 및 누설 증기(S2)가, 합류하여 배기 증기(S3)로서 냉각 증기 배출관(42)으로부터 배출되므로, 이들 증기는 후류단 및 중압/저압 터빈의 증기의 일부로서 회수할 수 있다.
(제3 실시 형태)
다음에, 본 발명을 단류형 초고압 터빈에 적용한 제3 실시 형태를 도 3에 의해 설명한다. 본 실시 형태에서는, 단류형 초고압 터빈(10C)의 냉각 증기 공급관(32)에 공급되는 냉각 증기(S4)는, 증기 터빈 발전 플랜트에서 발생하는 증기를 사용하면 좋다. 예를 들어, 보일러의 추기 증기나 초고압 터빈(10C)의 익렬단 사이로부터 추기된 추기 증기, 혹은 단류형 초고압 터빈(10C)에서 터빈 로터(12)를 회전하는 일에 공급한 후의 배기 증기라도 좋다. 냉각 증기(S4)에 사용하는 이들 증기(S6)는 반드시 570℃ 이하의 온도가 아니라도 좋다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 냉각 증기 공급관(32)에 접속된 증기관(40)에 냉각 장치(50)를 개재 설치하고 있다. 그리고, 냉각 증기(S4)에 제공하는 증기(S6)가 570℃ 이하가 아닌 경우에, 그 증기(S6)를 냉각 장치(50)에서 냉각하여 570℃ 이하의 온도로 하여 냉각 증기 공급관(32)에 공급하도록 하고 있다. 그 밖의 구성은 도 2에 도시하는 상기 제2 실시 형태와 동일하다.
냉각 장치(50)의 구성은, 예를 들어 냉각 증기(S6)가 통과하는 배관을 소용돌이 형상의 배관으로 하고, 이 배관에 팬에 의해 냉풍을 보내도록 해도 좋다. 혹은, 소용돌이 형상의 배관 대신에, 핀이 부착된 배관으로 해도 좋다. 혹은, 이중 배관으로 하고, 이 이중 배관의 한쪽에 냉각수를 통과시켜 냉각 증기(S6)를 냉각하도록 해도 좋다.
본 실시 형태에 따르면, 도 2에 도시하는 제2 실시 형태에서 얻어지는 작용 효과에 추가하여, 냉각 증기(S6)가 570℃를 초과하고 있는 경우라도, 냉각 장치(50)에 의해 570℃ 이하로 냉각할 수 있으므로, 증기 터빈 발전 플랜트 내에서의 냉각 증기(S6)의 공급원의 선택지를 넓힐 수 있다.
본 발명에 따르면, 증기 터빈 발전 설비에 있어서, 간단한 구성으로 단류형 터빈의 더미 링 및 그 내측에 위치하는 터빈 로터의 냉각 효과를 향상시킬 수 있어, 이들 부재의 장기 수명화를 달성할 수 있다.

Claims (13)

  1. 증기 터빈 발전 설비에 내장되고 저압 터빈보다 고압측의 단류형 터빈이며, 상기 단류형 터빈의 더미 링 및 상기 더미 링의 내측에 배치되는 로터를 냉각하는 단류형 터빈에 있어서의 냉각 방법에 있어서,
    증기 터빈 발전 설비 내에서 발생하고, 상기 단류형 터빈에 공급되는 주증기 중 상기 더미 링측으로 누설된 누설 증기보다 저온이고 또한 고압인 냉각 증기를 더미 링에 설치된 냉각 증기 공급로에 공급하는 냉각 증기 공급 공정과,
    상기 냉각 증기를 상기 냉각 증기 공급로를 통해 더미 링과 로터 사이에 형성되는 간극에 도입하고, 상기 누설 증기에 저항하여 상기 간극에 유통시켜, 더미 링 및 로터를 냉각하는 냉각 공정으로 이루어지고,
    상기 단류형 터빈에 공급되는 상기 주증기는 상기 누설 증기보다 고온이고 또한 고압이고, 상기 냉각 증기는 상기 주증기보다 저온이고 또한 주증기와 동등압 또는 주증기보다 고압이고,
    또한, 상기 냉각 공정에서 더미 링 및 로터의 냉각에 제공한 후의 냉각 증기를, 상기 냉각 증기 공급로로부터 주증기를 공급하는 노즐실 부근의 더미 링에 형성된 냉각 증기 배출로로부터 상기 누설 증기와 함께, 단류형 터빈의 익렬단 사이부 또는 후단측 증기 터빈에 증기를 공급하는 배기 증기관으로 배출하도록 한 배출 공정이 부가되어 이루어지는 것을 특징으로 하는, 단류형 터빈에 있어서의 냉각 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉각 증기가 570℃ 이하의 온도로 상기 냉각 증기 공급로에 공급되는 것을 특징으로 하는, 단류형 터빈에 있어서의 냉각 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 냉각 증기가, 초고압 터빈 혹은 고압 터빈의 배기 증기 혹은 익렬부의 추기 증기이거나, 또는 보일러의 추기 증기인 것을 특징으로 하는, 단류형 터빈에 있어서의 냉각 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단류형 터빈의 주증기 온도가 700℃ 이상인 것을 특징으로 하는, 단류형 터빈에 있어서의 냉각 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 로터가, 내열성 재료로 이루어지는 제1 로터부와, 상기 제1 로터부보다 내열성이 낮은 재료로 이루어지는 제2 로터부가 연결부를 통해 연결되고, 상기 연결부가 상기 더미 링의 내측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 단류형 터빈에 있어서의 냉각 방법.
  6. 증기 터빈 발전 설비에 내장되고 저압 터빈보다 고압측의 단류형 터빈이며, 상기 단류형 터빈의 더미 링 및 상기 더미 링의 내측에 배치되는 로터를 냉각하는 단류형 터빈에 있어서의 냉각 장치에 있어서,
    상기 더미 링에 형성되어 더미 링과 로터 사이의 간극에 개방되는 냉각 증기 공급로와,
    상기 냉각 증기 공급로에 접속되어, 증기 터빈 발전 설비 내에서 발생하고, 상기 단류형 터빈에 공급되는 주증기 중 더미 링측으로 누설된 누설 증기보다 저온이고 또한 고압인 냉각 증기를 상기 냉각 증기 공급로에 공급하는 냉각 증기관을 구비하고,
    상기 단류형 터빈에 공급되는 상기 주증기는 상기 누설 증기보다 고온이고 또한 고압이고, 상기 냉각 증기는 상기 주증기보다 저온이고 또한 주증기와 동등압 또는 주증기보다 고압이고,
    또한, 상기 냉각 증기 공급로로부터 주증기를 공급하는 노즐실 부근의 더미 링에 형성되어 상기 간극에 개방되는 동시에, 단류형 터빈의 익렬단 사이부 또는 후단측 증기 터빈에 증기를 공급하는 배기 증기관에 접속된 냉각 증기 배출로를 구비하고,
    냉각 증기를 냉각 증기 공급로를 통해 더미 링과 로터 사이에 형성되는 간극에 도입하고, 상기 누설 증기에 저항하여 상기 간극에 유통시켜, 더미 링 및 로터를 냉각하는 동시에, 상기 간극에 유통시킨 냉각 증기를 누설 증기와 함께 상기 냉각 증기 배출로를 통해 상기 배기 증기관으로 배출하도록 구성한 것을 특징으로 하는, 단류형 터빈에 있어서의 냉각 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 냉각 증기가 570℃를 초과하는 온도 영역에 있고, 상기 냉각 증기관에 상기 냉각 증기를 570℃ 이하의 온도로 냉각하는 냉각 장치를 개재 설치하고,
    상기 냉각 증기를 상기 냉각 장치에서 570℃ 이하의 온도로 냉각하여, 상기 냉각 증기 공급로에 공급하도록 구성한 것을 특징으로 하는, 단류형 터빈에 있어서의 냉각 장치.
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