KR101378193B1 - 증기 터빈용 다이어프램 조립체 및 증기 터빈 - Google Patents

증기 터빈용 다이어프램 조립체 및 증기 터빈 Download PDF

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리차드 씨 제시오노스키
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다니엘 레이 2세 푸테
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Abstract

본 발명에 따르면, 증기 터빈(10)용 다이어프램 조립체(100)가 제공된다. 다이어프램 조립체(100)는 반경방향 내측 표면(114), 대향하는 반경방향 외측 표면(116), 및 상기 내측 표면과 외측 표면 사이로 연장하는 복수의 개구(112, 118)를 포함하는 반경방향 내측 밴드(106)를 포함한다. 다이어프램 조립체(100)는 대향하는 반경방향 내측 표면(120), 반경방향 외측 표면(122), 및 상기 내측 표면과 외측 표면 사이로 연장하는 복수의 개구를 포함하는 반경방향 외측 밴드(108)를 더 포함한다. 다이어프램 조립체(100)는 상기 내측 밴드와 상기 외측 밴드 사이로 연장하는 하나 이상의 격벽(110)을 더 포함하고, 상기 반경방향 외측 밴드 개구의 하나 이상은, 상기 외측 밴드 반경방향 내측 표면과 상기 외측 밴드 반경방향 외측 표면 사이로 비스듬하게 연장하는 벽(121)에 의해 적어도 부분적으로 규정된다.

Description

증기 터빈용 다이어프램 조립체 및 증기 터빈{APPARATUS AND METHOD OF DIAPHRAGM ASSEMBLY}
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 증기 터빈의 개략도,
도 2는 도 1에 도시된 증기 터빈과 함께 사용될 수도 있는 예시적인 다이어프램 조립체의 분해도,
도 3은 도 2에 도시된 다이어프램 조립체와 함께 사용되는 격벽(partition)의 사시도,
도 4는 도 2에 도시된 다이어프램 조립체와 함께 사용되는 외측 밴드에 결합된 격벽(도 3에 도시됨)의 일부 단면도,
도 5는 도 4에 도시된 외측 밴드의 일부를 나타내는 개략도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 증기 터빈 100 : 다이어프램 조립체
106 : 내측 밴드 108 : 외측 밴드
110 : 격벽 112 : 개구
114 : 내측 표면 116 : 외측 표면
118 : 개구 120 : 내측 표면
121 : 벽 122 : 외측 표면
본 발명은 터빈에 관한 것으로서, 특히 증기 터빈과 함께 사용되는 다이어프램 조립체에 관한 것이다.
적어도 몇몇의 공지된 증기 터빈은 유동을 회전 터빈 블레이드로 하류로 보내는 다이어프램 조립체를 포함한다. 공지된 다이어프램 조립체는 고정적이고, 원주방향으로 이격된 복수의 격벽(partition)을 포함한다. 각 격벽은 외측 밴드와 내측 밴드 사이에서 대체로 반경방향으로 연장한다. 적어도 몇몇의 공지된 밴드는 밴드를 통하여 연장하는 개구를 갖도록 형성된다. 개구의 단면 형상은 격벽의 단면 프로파일과 실질적으로 유사하다.
다이어프램 조립체의 조립 동안, 각 격벽은 각각의 밴드 개구와 정렬된 후 개구를 통해 삽입되어, 격벽은 밴드 사이의 위치에서 유지된다. 하지만, 공지된 터빈 및 다이어프램은 활모양의 격벽과 같은 개량형 에어로 형상의(aero-shaped) 격벽을 사용하기 때문에, 개구를 통해 격벽을 삽입하는 것은 어려운 작업이다. 특히, 격벽의 활모양의 단면 형상은 격벽을 개구와 정렬시키는 것을 어렵게 한다. 피트-업 문제(fit-up issue)로서 알려진 그러한 정렬 문제는, 일반적으로 만곡(彎曲)량이 증가할수록 그리고/또는 밴드의 두께가 증가할수록 증가한다.
피트-업 문제의 저감을 촉진하기 위해, 적어도 몇몇의 공지된 터빈은 "부팅된 격벽"(booted partition)을 사용하여 조립작업 동안의 밴드와 격벽 사이의 간섭 가능성을 감소시킨다. 특히, 그러한 터빈 내부에서, 하나 이상의 밴드에 형성된 개구의 전체 크기가 증가되어, 간극 갭이 격벽과 밴드 사이에 형성된다. 부트(boot)는 갭을 메우기 위해 격벽 주위에 결합된다. 하지만, 부팅된 격벽은 부트와 밴드 사이의 경계면에 반경방향 단(step)이 형성되게 한다. 반경방향의 단은 전체 스테이지 효율을 감소시키는 유동 장애(flow disturbance)를 유발시키고, 일반적으로 그러한 격벽은 터빈 내에 보다 큰 시그너처 풋프린트(signature footprint)를 필요로 한다.
일 측면에 있어서, 증기 터빈용 다이어프램 조립체를 조립하는 방법이 제공된다. 조립 방법은 반경방향 외측 밴드에 하나 이상의 개구를 형성하는 단계와 반경방향 내측 밴드에 하나 이상의 개구를 형성하는 단계를 포함한다. 조립 방법은 또한 반경방향 내측 표면과 반경방향 외측 표면을 포함하는 반경방향 외측 밴드의 하나 이상의 개구에 하나 이상의 격벽을 결합시키는 단계를 포함하고, 상기 하나 이상의 개구는 상기 외측 밴드의 반경방향 내측 표면과 상기 외측 밴드의 반경방향 외측 표면 사이에서 비스듬하게 연장하는 벽에 의해 적어도 부분적으로 형성된다. 조립 방법은 추가적으로 상기 하나 이상의 격벽을 상기 반경방향 내측 밴드의 하나 이상의 개구에 결합시키는 단계를 포함하고, 상기 하나 이상의 격벽은 상기 반경방향 외측 밴드의 하나 이상의 개구와 상기 반경방향 내측 밴드의 하나 이상의 개구 사이에서 연장한다.
다른 측면에 있어서, 증기 터빈용 다이어프램 조립체가 제공된다. 다이어프램 조립체는 대향하는 반경방향 내측 표면 및 반경방향 외측 표면과, 상기 반경방향 내측 표면과 외측 표면 사이에서 연장하는 복수의 개구를 포함하는 반경방향 내측 밴드를 포함한다. 다이어프램 조립체는 또한 대향하는 반경방향 내측 표면 및 반경방향 외측 표면과, 상기 반경방향 내측 표면과 외측 표면 사이에서 연장하는 복수의 개구를 포함하는 반경방향 외측 밴드를 포함한다. 다이어프램 조립체는 추가적으로 상기 내측 밴드와 외측 밴드 사이에서 연장하는 하나 이상의 격벽을 포함하고, 상기 반경방향 외측 밴드의 하나 이상의 개구는, 상기 외측 밴드의 반경방향 내측 표면과 상기 외측 밴드의 반경방향 외측 표면 사이에서 비스듬하게 연장하는 벽에 의해 적어도 부분적으로 형성된다.
또 다른 측면에 있어서, 증기 터빈이 제공된다. 증기 터빈은 내측 캐리어(carrier), 외측 캐리어, 및 증기 터빈용 다이어프램 조립체를 포함한다. 다이어프램 조립체는 대향하는 반경방향 내측 표면 및 반경방향 외측 표면과, 상기 반경방향 내측 표면과 외측 표면 사이에서 연장하는 복수의 개구를 포함하는 반경방향 내측 밴드를 포함한다. 다이어프램 조립체는 또한 대향하는 반경방향 내측 표면 및 반경방향 외측 표면과, 상기 반경방향 내측 표면과 외측 표면 사이에서 연장하는 복수의 개구를 포함하는 반경방향 외측 밴드를 포함한다. 다이어프램 조립체는 추가적으로 상기 내측 밴드와 외측 밴드 사이에서 연장하는 하나 이상의 격벽을 포함하고, 상기 반경방향 외측 밴드의 하나 이상의 개구는, 상기 외측 밴드의 반경방향 내측 표면과 상기 외측 밴드의 반경방향 외측 표면 사이에서 비스듬하게 연장하는 벽에 의해 적어도 부분적으로 형성된다.
도 1은 예시적인 대향 유동(opposed-flow) 증기 터빈(10)의 개략도이다. 터빈(10)은 제 1 저압(low pressure; LP) 섹션(12)과 제 2 저압 섹션(14)을 포함한다. 당해 기술분야에서 알 수 있는 바와 같이, 각 터빈 섹션(12, 14)은 복수의 다이어프램 스테이지를 포함한다(도 1에는 도시되지 않음). 로터 샤프트(16)는 섹션(12, 14)을 통해 연장한다. 각 LP 섹션(12, 14)은 노즐(18, 20)을 포함한다. 단일 외측 쉘(shell) 또는 케이싱(22)은 수평 평면을 따라 축방향으로 상부 반부 섹션(24)과 하부 반부 섹션(26)으로 각각 분할되고, LP 섹션(12, 14) 양쪽에 걸친다. 쉘(22)의 중앙 섹션(28)은 저압 증기 입구(30)를 포함한다. 외부 쉘 또는 케이싱(22) 내에, LP 섹션(12, 14)은 저널 베어링(journal bearing)(32, 34)에 의해 지지되는 단일 베어링 스팬(span)으로 배치된다. 유동 분할기(flow splitter)(40)는 제 1 터빈 섹션(12)과 제 2 터빈 섹션(14) 사이에서 연장한다.
비록 도 1은 이중 유동 저압 터빈을 도시하고 있지만, 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 저압 터빈과 함께 사용되는 것에 한정되지 않고, 중압(intermediate pressure; IP) 터빈 또는 고압(high pressure; HP) 터빈에 한정되지 않고 이들을 포함하는 여하한 이중 유동 터빈과 함께 사용될 수 있다. 추가적으로, 본 발명은 이중 유동 터빈과 함께 사용되는 것에 한정되지 안고, 예를 들어 단일 유동 증기 터빈과도 함께 사용될 수 있다.
작동 동안, 저압 증기 입구(30)는, 예를 들어 교차 파이프(도시되지 않음)를 통해 HP 터빈 또는 IP 터빈과 같은 공급원(source)으로부터 저압/중온의 증기(50)를 수용한다. 증기(50)는 입구(30)를 통해 보내지고, 유동 분할기(40)는 증기 유동을 두개의 대향하는 유동 경로(52, 54)로 분할한다. 보다 상세하게, 증기(50)는 LP 섹션(12, 14)을 통해 방향전환되고, 증기로부터 일(work)이 추출되어 로터 샤프트(16)를 회전시킨다. 증기는 LP 섹션(12, 14)을 빠져나와, 예를 들어 응축기로 방향전환된다.
도 2는 (도 1에 도시된) 증기 터빈(10)과 함께 사용되는 다이어프램 조립체(100)의 분해도이다. 도 3은 다이어프램 조립체(100)와 함께 사용되는 격벽(110)의 사시도이다. 도 4는 다이어프램 조립체(100)와 함께 사용되는 외측 밴드(108)에 결합되는 격벽(110)의 일부의 단면도이다. 도 5는 외측 밴드(108)의 일부의 개략도이다.
다이어프램 조립체(100)는 내측 캐리어(102)와 외측 캐리어(104)를 포함한다. 다이어프램 조립체(100)는 또한 반경방향 내측 밴드(106), 반경방향 외측 밴드(108), 및 일반적으로 내측 캐리어(102)와 외측 캐리어(104) 사이에서 반경방향으로 연장하는 원주방향으로 이격된 복수의 격벽(110)을 포함한다. 반경방향 외측 캐리어(104)는 반경방향 외측 밴드(108)로부터 반경방향 외측으로 인접하여 위치하고, 반경방향 내측 캐리어(102)는 반경방향 내측 밴드(106)로부터 반경방향 내측으로 인접하여 위치한다.
반경방향 내측 밴드(106)는 내측 밴드(106)의 반경방향 내측 표면(114)으로부터 내측 밴드(106)의 반경방향 외측 표면(116)으로 내측 밴드(106)를 통해 연장하는 복수의 개구(112)를 포함한다. 개구(112)는 내측 밴드(106)를 따라 원주방향으로 이격되고, 예시적인 실시예에 있어서, 개구(112)는 각각 실질적으로 동일하다. 반경방향 외측 밴드(108)는 또한 외측 밴드(108)의 반경방향 내측 표면(120)으로부터 외측 밴드(108)의 반경방향 외측 표면(122)으로 외측 밴드(108)를 통해 연장하는 복수의 개구(118)를 포함한다. 예시적인 실시예에 있어서, 표면(120, 122)은 서로에 대해 실질적으로 평행하다. 예시적인 실시예에 있어서, 개구(118)는 각각 실질적으로 동일하다. 개구(118, 112)는 공기역학적 형상이고, 격벽(110)의 외부 표면(124)에 의해 형성된 단면 형상과 실질적으로 동일한 외형 형상을 구비한다. 그와 같이 하여, 개구(112, 118)는 격벽(110)을 수용하도록 크기가 설정된다.
보다 상세하게, 예시적인 실시예에 있어서, 개구(118, 112)는 각각 실질적으로 에어포일 형상이다. 예시적인 실시예에 있어서, 내측 밴드 개구(112) 각각은 대략 동일한 크기이고, 외측 밴드 개구(118)보다 약간 작다.
각 개구(118)는, 외측 표면(122)과 내측 표면(120) 사이에서 연장하고 개구(118)의 둘레를 정하는 둘레부(119)를 형성하는 벽(121)에 의해 규정된다. 더욱이, 예시적인 실시예에 있어서, 벽(121)은 직선 보간 곡면(ruled surface)을 포함한다. 벽(121)은 하나 이상의 개구(118)의 둘레부(119)의 일부 주위로, 표면(120 또는 122)에 대해 경사지게 배향된다. 상세하게는, 둘레부(119)의 일부 내에서, 벽(121)은 외측 밴드(108)에 대해 경사각(β)으로 배향된다. 경사각(β)은 둘레부(119) 주위에서 변한다. 더욱 상세하게, 개구(118)의 원주방향 측부(123, 125)를 따라 경사각(β)은 최대 경사각인 반면, 개구(118)의 전연(leading edge)과 후연(trailing edge) 측부(127, 129)에서 경사각(β)은 최소 경사각이다. 따라서, 예시적인 실시예에 있어서, 벽(121)은 둘레부(119) 주위로 적어도 부분적으로 배향되므로, 반경방향 외측 표면(122)에 인접한 각 개구(118)의 단면적(150)은 반경방향 내측 표면(120)에 인접한 각 개구(118)의 단면적(152)보다 크다.
각 격벽(110)은 내측 밴드(106)와 외측 밴드(108) 사이에서 각각 연장하고, 대체로 반경방향 개구(112, 118)에 의해 규정되는 만큼 원주방향으로 이격된다. 예시적인 실시예에 있어서, 격벽(110)은 각각 개구(118, 112)의 공기역학적 단면 형상과 실질적으로 동일한 공기역학적 단면 형상을 구비한다. 격벽(110)은, 다이어프램 조립체(100) 성능을 증가시키고 그리고/또는 격벽(110)과 내측 및 외측 밴드(106, 108) 사이의 결합 강도를 증가시키는 것을 촉진하도록 가변적으로 선택된 임의의 기하학적 형상을 구비할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 격벽(110)은 활모양으로 만곡된다.
예시적인 실시예에 있어서, 각 격벽(110)은 전연(132)과 후연(134)에서 함께 결합된 한쌍의 대향하는 측벽(140, 142)을 포함한다. 예시적인 실시예에 있어서, 측벽(140)은 볼록한 표면이고, 측벽(142)은 오목한 표면이다. 각 격벽(110)은, 예시적인 실시예에 있어서, 벌어진 부분(144)과 블레이드 부분(146)을 포함한다. 벌어진 부분(144)은 블레이드 부분(146)으로부터 경사각(θ)으로 횡단하여 연장한다. 경사각(θ)은, 외측 밴드(108) 벽의 각도(β)의 배향을 실질적으로 반영하는 배향으로 전연(132)으로부터 후연(134)까지 측벽(140, 142)을 횡단하여 변한다. 그와 같이 하여, 후연(134)과 전연(132)에서, 경사각(θ)은 최소 각도이다.
조립 동안, 격벽(110)은 각각, 격벽(110)이 실질적으로 개구(118)와 정렬되도록 정렬된다. 예시적인 실시예에 있어서, 격벽(110)은 외측 밴드(108)의 반경방향 외측 표면(122)으로부터 외측 밴드(108)를 통해 삽입된다. 두 개의 벌어진 측벽 부분과 벽(121)의 각방향 배향(orientation)의 조합은, 각 외측 밴드 개구(118)의 내측 표면과 각 격벽(110)의 외측 표면 사이에 꼭 끼워맞춤을 형성하는 것을 촉진한다. 유사하게, 격벽(110)은 개구(112)와 정렬되어 개구(112)를 통해 삽입된다. 벌어진 개구(112, 118)와 벌어진 격벽(110)은 개구(112, 118)에의 격벽(110)의 결합을 촉진하고, 격벽(110)이 개구(112, 118) 내로 삽입되기 위한 적당한 간극을 제공한다. 변형 실시예에 있어서, 격벽(110)은 격벽 둘레부(136, 138) 주위에서 내측 및 외측 밴드(106, 108)에 용접될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 격벽(110)은 기계적 접합부에 의해 내측 밴드와 외측 밴드(106, 108)에 고정될 수 있다. 내측 및 외측 밴드(106, 108)에 격벽(110)을 결합시킨 후, 반경방향 내측 및 외측 밴드(106, 108)는 반경방향 내측 및 외측 캐리어(102, 104)에 결합된다.
공지된 다이어프램 조립체의 조립 동안, 피트-업 문제로 알려진 정렬 문제가 종종 발생한다. 벌어진 격벽과 벌어진 개구는, 다이어프램 조립체에 있어서의 반경방향 단을 발생시킴이 없이 피트-업 문제를 감소시킨다. 공지된 다이어프램 조립체에 있어서의 반경방향 단은 유동 장애를 유발시켜, 전체 스테이지 효율을 감소 시킨다. 반경방향 단을 제거하는 것을 통해, 엔진은 보다 효율적으로 작동한다. 추가적으로, 만곡된 격벽과 같은 공지된 격벽은 터빈 내에 보다 큰 시그너처 풋프린트를 필요로 하기 때문에, 벌어진 개구와 격벽을 구비한 다이어프램 조립체는 조립에 필요한 축방향 공간을 감소시킨다. 상술된 다이어프램 조립체의 벌어진 부분은 격벽의 전연과 후연 근처에서 얕기 때문에, 각 개구 및 외측 밴드의 전연과 후연 사이의 적당한 축방향 연결성(ligament) 및 구조적 완전성에 대해 충분한 재료를 유지한다.
상술된 다이어프램 조립체는 경사진 벽에 의해 적어도 부분적으로 규정된 외형의 복수의 개구를 포함하는 외측 밴드를 포함한다. 조립체는 또한, 내측 밴드와 외측 밴드 사이에서 연장하고 벌어진 측벽 부분을 각각 포함하는 격벽을 포함한다. 경사진 개구와 격벽의 벌어진 측벽 부분의 조합은 다이어프램 조립체를 조립함에 있어서의 어려움을 감소시키는 것을 촉진한다.
다이어프램 조립체의 예시적인 실시예가 상세하게 상술되었다. 다이어프램 조립체는 여기서 설명한 특정 실시예와 함께 사용되는 것에 한정되지 않고, 다이어프램 조립체는 여기서 설명된 다른 구성요소와 독립적으로 그리고 단독으로 이용될 수 있다. 더욱이, 본 발명은 위에서 상세하게 설명된 다이어프램 조립체의 실시예에 한정되지 않는다. 오히려, 여러 변형된 다이어프램 조립체가 특허청구범위의 사상 및 범위 내에서 이용될 수 있다.
비록 본 발명은 여러 특정 실시예의 관점에서 설명되었지만, 본 발명은 특허청구범위의 사상 및 범위 내에서 변형되어 실시될 수 있음을 당업자는 인지할 것이 다.
본 발명에 따른 증기 터빈용 다이어프램 조립체에 의하면, 다이어프램 조립체에 있어서의 반경방향 단을 발생시킴이 없이 피트-업 문제를 감소시키고, 조립에 필요한 공간을 감소시키며, 다이어프램 조립체를 조립함에 있어서의 어려움을 감소시키는 것을 촉진한다.

Claims (10)

  1. 증기 터빈(10)에 있어서,
    내측 캐리어(102)와,
    외측 캐리어(104)와,
    증기 터빈용 다이어프램 조립체(100)를 포함하고,
    상기 다이어프램 조립체(100)는,
    반경방향 내측 표면(114) 및 그 반대쪽의 반경방향 외측 표면(116)과, 상기 내측 표면과 외측 표면 사이에서 연장하는 복수의 개구(112)를 포함하는 반경방향 내측 밴드(106)와,
    반경방향 내측 표면(120) 및 그 반대쪽의 반경방향 외측 표면(122)과, 상기 내측 표면과 외측 표면 사이에서 연장하는 복수의 개구(118)를 포함하는 반경방향 외측 밴드(108)와,
    상기 내측 밴드와 상기 외측 밴드 사이에서 연장하는 하나 이상의 격벽(110)을 포함하고,
    상기 반경방향 외측 밴드의 개구중 하나 이상의 개구는, 상기 외측 밴드의 반경방향 내측 표면과 상기 외측 밴드의 반경방향 외측 표면 사이에서 비스듬하게 연장하는 벽(121)에 의해 적어도 부분적으로 형성되고,
    비스듬한 상기 벽(121)은 상기 개구(118)의 전연(leading edge)(127)과 후연(trailing edge)(129) 사이에서 연장하는 두개 이상의 측부(side)(123, 125)를 포함하며,
    비스듬한 상기 벽(121)은 상기 반경방향 외측 밴드(108)에 대하여 경사각(β)으로 배향되며,
    상기 두개 이상의 측부(123, 125)에 있어서의 경사각이 상기 개구(118)의 전연(127) 및 후연(129)에 있어서의 경사각보다 커서, 상기 개구(118)의 전연(127) 및 후연(129)에서 상기 경사각(β)이 최소 경사 각도로 되고,
    상기 내측 및 외측 밴드(106, 108)의 상기 복수의 개구(112, 118)는 원주방향으로 이격되고, 상기 내측 밴드의 상기 복수의 개구 각각의 크기는 상기 외측 밴드의 상기 복수의 개구 각각의 크기보다 작은
    증기 터빈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외측 밴드의 외측 표면(122)에서의 상기 복수의 개구(118) 각각의 단면적(152)은, 상기 외측 밴드의 내측 표면(120)에서의 개구 각각의 단면적(150)보다 큰
    증기 터빈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 격벽(110)은 볼록한 표면과 오목한 표면을 포함하고,
    상기 오목한 표면은, 상기 증기 터빈(10)으로부터의 증기가 상기 오목한 표면을 따라 유동하도록 구성된
    증기 터빈.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 격벽(110)은 전연(leading edge)(132)과 후연(trailing edge)(134)에서 함께 결합된 한쌍의 측벽(140, 142)을 포함하고,
    상기 측벽의 각각은 상기 하나 이상의 격벽을 상기 반경방향 외측 밴드(108)에 결합하는 것을 촉진하기 위해 상기 측벽으로부터 외측으로 연장하는 벌어진 부분(144)을 포함하는
    증기 터빈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 벌어진 부분(144)은 상기 측벽(140, 142)과 상기 외측 밴드의 반경방향 외측 표면(122) 사이에서 연장하는
    증기 터빈.
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