KR101401140B1 - 노즐 박스 조립체, 증기 유동 지향 방법 및 증기 경로 링 - Google Patents

노즐 박스 조립체, 증기 유동 지향 방법 및 증기 경로 링 Download PDF

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Abstract

토러스(torus)(115), 증기 경로 링(125) 및 브리지 링(120)을 포함하는 노즐 박스 조립체가 여기에 개시된다. 토러스(115)는 복수의 증기 입구(130) 및 환형 증기 출구(155)를 구비한다. 증기 경로 링(125)은 환형 증기 입구(170)를 구비하고, 상기 환형 증기 입구(170)는 내경(內徑)(185) 및 외경(外徑)(175)을 가지며, 증기 경로 링(125)은 토러스(115)의 하류에 배치된다. 브리지 링(120)은 환형 증기 입구(160) 및 환형 증기 출구(165)를 구비하고, 상기 환형 증기 출구(165)는 내경(190) 및 외경(180)을 가지며, 브리지 링(120)은 상기 토러스(115) 및 증기 경로 링(125) 사이에 배치되며, 상기 브리지 링의 환형 증기 출구(165)는 상기 증기 경로 링의 환형 증기 입구(170)에 인접하며, 상기 증기 경로 링의 환형 증기 입구의 외경(175)은 상기 브리지 링의 환형 증기 출구의 외경(180)보다 크며, 상기 증기 경로 링의 환형 증기 입구의 내경(185)은 상기 브리지 링의 환형 증기 출구 내경(190)보다 작다.

Description

노즐 박스 조립체, 증기 유동 지향 방법 및 증기 경로 링{OPTIMIZED NOZZLE BOX STEAM PATH}
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 사용하기 위한 예시적인 노즐 박스 조립체의 일 반부(half)의 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 사용하기 위한 도 1의 노즐 박스 조립체의 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 사용하기 위한 이중 유동 노즐 박스 조립체의 단면도,
도 4는 도 2의 브리지 링과 증기 경로 링 사이의 계면(interface)에 대한 확대도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 노즐 박스 조립체 반부 100' : 이중 유동 노즐 박스 조립체
115 : 토러스 120 : 브리지 링
125 : 증기 경로 링 130 : 증기 입구
140, 145 : 계면 영역 150 : 화살표
155 : 토러스 증기 출구 160 : 브리지 링의 증기 입구
165 : 브리지 링의 증기 출구 170 : 증기 경로 링의 증기 입구
175 : 증기 경로 링의 증기 입구 외경
180 : 브리지 링의 증기 출구 외경
185 : 증기 경로 링의 증기 입구 내경
190 : 브리지 링의 증기 출구 내경
본 발명은 일반적으로 증기 터빈에 관한 것으로, 특히 증기 터빈으로 향하는 유동의 효율을 증가시키기 위한 노즐 박스에 관한 것이다.
증기 터빈용의 노즐 박스 조립체는 일반적으로 3개의 구성요소, 즉 토러스(torus), 브리지 링(bridge ring) 및 증기 경로 링을 포함한다. 구성요소 각각은 초기에는 180° 세그먼트(segment)로 성형되고, 이어서 구성요소를 함께 용접하여 두 개의 노즐 박스 반부(nozzle box half)를 형성한다. 그 다음 반부는 수평 중간선을 따라 함께 접합되어 증기 터빈용 증기 박스 조립체를 형성한다. 노즐 박스 반부 각각은 토러스와 일체로 성형된 하나 이상의 증기 입구를 포함한다. 이들 입구는 터빈의 회전 축에 수직인 평면에서 상기 토러스로부터 연장한다. 증기 터빈의 작동 동안, 입구는 적당한 공급원으로부터 증기를 받아들여 토러스 내로 유동시킨다. 증기는 대체로 축방향 유동으로 방향을 바꿔서 브리지 링의 환형 개구를 통해 증기 경로 링 내로 유동한다. 증기 경로 링은 후속하는 버킷(bucket)으로 증기 유동을 지향시키기 위한 에어포일 베인(airfoil vane)을 포함하는 일련의 노즐을 구비한다.
증기 경로 측을 따른 토러스, 브리지 링 및 증기 경로 링 사이의 전이부는 터빈 메인 증기 입구로부터의 증기의 유동을 교란시킨다. 이것은 메인 증기 입구로부터의 증기 유동이 브리지 링을 통과하여 증기 경로 링 내로 유동할 때 증기 유동에 난류(turbulence)를 발생시켜 효율 손실을 야기하는 경향이 있다. 증기 경로 내의 난류 감소는 노즐 박스를 통한 유동을 최적화시키고 증기 터빈의 효율을 증가시킬 것이다.
본 발명은 증기 경로 내의 난류를 감소시켜 노즐 박스를 통한 유동을 최적화시키고 증기 터빈의 효율을 증가시킨, 노즐 박스 조립체, 증기 유동 지향 방법 및 증기 경로 링을 제공하는 것을 목적으로 한다.
토러스, 증기 경로 링 및 브리지 링을 포함하는 노즐 박스 조립체가 여기에 개시된다. 토러스는 복수의 증기 입구 및 환형 증기 출구를 구비한다. 증기 경로 링은 환형 증기 입구를 구비하고, 상기 환형 증기 입구는 내경(內徑) 및 외경(外徑)을 가지며, 증기 경로 링은 토러스의 하류에 배치된다. 브리지 링은 환형 증기 입구 및 환형 증기 출구를 구비하고, 상기 환형 증기 출구는 내경 및 외경을 가지며, 브리지 링은 상기 토러스 및 증기 경로 링 사이에 배치되며, 상기 브리지 링의 환형 증기 출구는 상기 증기 경로 링의 환형 증기 입구에 인접하며, 상기 증기 경 로 링의 환형 증기 입구의 외경은 상기 브리지 링의 환형 증기 출구의 외경보다 크며, 상기 증기 경로 링의 환형 증기 입구의 내경은 상기 브리지 링의 환형 증기 출구 내경보다 작다.
노즐 박스 조립체를 통하는 증기 유동을 지향시키는 방법이 여기에 더 개시된다. 증기 유동은 토러스를 통해 운반된다. 그리고, 증기 유동은 상기 토러스의 하류에서 반경방향 외측 단차부를 넘어 지향된다.
증기 유동을 지향시키는 일련의 노즐 및 환형 증기 입구를 구비한 노즐 박스 조립체용 증기 경로 링이 여기에 더 개시된다. 환형 증기 입구는 내경 및 외경을 가지며, 증기 경로 링의 환형 증기 입구의 내경은 브리지 링의 환형 증기 출구의 내경보다 작고, 증기 경로 링의 환형 증기 입구의 외경은 브리지 링의 환형 증기 출구의 외경보다 크다.
예시적인 첨부 도면을 참조하며, 유사 구성요소에 대하여는 유사한 도면부호로 표시하였다.
도 1은 예시적인 노즐 박스 조립체 반부(100)를 도시한다. 노즐 박스 조립체 반부(100) 각각은 토러스(torus)(115)부, 브리지 링(120)부 및 증기 경로 링(125)부를 포함한다. 토러스(115)부, 브리지링(120)부 및 증기 경로 링(125)부는 함께 접합되어 노즐 박스 조립체 반부(100)를 형성한다. 토러스(115)와 일체로 단조된 부분을 형성하는 증기 입구(130)가 또한 도시된다. 예시적인 전체 노즐 박스 조립체에 있어서, 도시된 노즐 박스 조립체 반부(100)가 유사한 노즐 박스 조립체 반부와 접합되어, 두 개의 노즐 박스 조립체 반부가, 일 실시예로서 완전히 360 °를 연장하는, 네 개의 증기 입구(130) 및 토러스(115), 브리지 링(120) 및 증기 경로 노즐 링을 갖는 완전 노즐 박스 조립체를 형성한다는 것이 이해될 것이다.
도 2는 노즐 박스 조립체 반부(100)의 단면을 나타내는 도면으로서, 토러스(115), 브리지 링(120) 및 증기 경로 링(125)을 도시한다. 증기 경로 링(125)과 브리지 링(120) 사이 그리고 브리지 링(120)과 토러스(115) 사이에 위치된 계면 영역(interface region)(140, 145)은 각각 증기 경로 링(125), 브리지 링(120) 및 토러스(115)의 접합(예를 들어 용접일 수 있음)을 허용하여, 하나의 일체 노즐 박스 조립체 반부(100)를 형성한다. 노즐 박스를 통하는 증기 유동 경로는 화살표(150)로 표시된다. 노즐 박스 조립체를 통하는 증기 유동은 증기 입구(130)(도 1)에서 시작한다. 증기 입구는 증기 유동을 토러스(115)를 통해 지향시키고, 이 증기 유동은 계속해서 브리지 링(120)을 통과하며, 마지막으로 증기 경로 링(125)을 통해 노즐 박스 조립체로부터 빠져나간다. 증기 경로 링은 후속하는 버킷(bucket)으로 증기 유동을 지향시키기 위한 에어포일 베인을 포함하는 일련의 노즐을 구비한다. 토러스(115), 브리지 링(120) 및 증기 경로 링(125) 사이의 정합 영역이 더 묘사되고, 토러스 증기 출구(155), 브리지 링의 증기 입구(160), 브리지 링의 증기 출구(165) 및 증기 경로 링의 증기 입구(170)를 포함한다. 토러스 증기 출구(155), 브리지 링의 증기 입구(160), 브리지 링의 증기 출구(165) 및 증기 경로 링의 증기 입구(170)는 환형의 형상이고, 노즐 박스 조립체 반부(100)(도 1)를 통한 대체로 축방향의 증기 유동을 제공한다.
대안적으로, 도 3의 단면도에 도시된 바와 같이, 두 개의 토러스(115), 두 개의 브리지 링(120) 및 두 개의 증기 경로 링(125)을 구비한 이중 유동 노즐 박스 조립체(100')가 사용될 수 있다. 이중 유동 노즐 박스 조립체(100')는 상술된 노즐 박스 조립체(100)에서와 동일한 토러스(115), 브리지 링(120) 및 증기 경로 링(125) 사이의 방위(orientation)를 공유하지만, 양 축방향으로의 증기 유동을 허용하도록 토러스(115), 브리지 링(120) 및 증기 경로 링(125)의 축방향으로 대향하는 추가적인 배치를 더 제공한다.
도 4는 증기 경로 링(125)에 대한 브리지 링(120) 전이부의 확대도로서, 증기 경로 링의 증기 입구 외경(175), 브리지 링의 증기 출구 외경(180), 증기 경로 링의 증기 입구 내경(185) 및 브리지 링의 증기 출구 내경(190)을 더 도시한다. 브리지 링(120)과 증기 경로 링(125) 사이의 계면을 따른 증기 경로 측에 "B"로 표시된 반경방향 단차부가 형성된다. 일 실시예에 있어서 약 0.000cm(0.000 인치)와 0.152cm(0.060 인치) 사이의 치수를 갖는 반경방향 단차가 브리지 링(120)과 증기 경로 링(125) 사이의 전이점에서 단면적의 증가를 야기시킨다. 상기 반경방향 단차는 약 0.076cm(0.030 인치)인 것이 바람직하다. 정합하는 증기 경로 링의 증기 입구(170)와 브리지 링의 증기 출구(165)사이의 내경차 및 외경차가 반경방향 단차를 규정한다. 증기 경로 링의 증기 입구 외경(175)은 브리지 링의 증기 출구 외경(180)보다 크고, 증기 경로 링의 증기 입구 내경(185)은 브리지 링의 증기 출구 내경(190)보다 작아, 반경방향 단차는 "B"로 표시된다. 다시 말하면, 반경방향 단차는 브리지 링(120)과 증기 경로 링(125) 사이에서 증기 유동 경로의 단차로 설명될 수 있으며, 증기 경로 링의 증기 입구(170)는 브리지 링의 증기 출구(165)보다 커서, 증기가 브리지 링(120)의 내벽을 따라 유동할 때, (계면에서의 단면적 감소의 경우와 반대로) 단면적의 증가로 인해 증기 경로 링(125)에 대한 브리지 링(120) 계면을 따라 매끄러운 유체 유동 전이가 일어난다. 증기 경로 링(125)과 브리지 링(120) 사이의 반경방향 단차는 노즐 박스 조립체 내에서의 증기 유동 난류를 감소시켜 개선된 증기 터빈 효율을 제공한다.
토러스(115), 브리지 링(120) 및 증기 경로 링(125)을 함께 접합시키기 위해 용접 공정이 이용되는 예시적인 실시예에 있어서, 구성요소간 100% 용접을 유지하면서 반경방향 단차를 보존하기 위하여 용접 공정으로부터의 수축(shrinkage)을 고려한다.
이상 본 발명은 바람직한 실시예(들)를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고 다양한 변형이 이뤄질 수 있고, 구성요소에 대하여 균등물로 대체될 수 있음은 당업자가 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 기본 범위를 일탈하지 않고 특정 상황 및 재료에 적용하기 위해 많은 변경이 있을 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 실시하기 위해 최선의 방식으로서 개시된 특정 실시예에 제한되지 않고, 본 발명은 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예를 포함한다.
본 발명에 따르면, 증기 경로 링과 브리지 링 사이의 반경방향 단차는 노즐 박스 조립체 내에서의 증기 경로 내의 난류를 감소시켜 노즐 박스를 통한 유동을 최적화시키고 증기 터빈의 효율을 증가시키는 것이 가능하다.

Claims (10)

  1. 노즐 박스 조립체에 있어서,
    복수의 증기 입구(130) 및 환형 증기 출구(155)를 구비한 토러스(torus)(115)와,
    환형 증기 입구(170)를 구비한 증기 경로 링(125)으로서, 상기 환형 증기 입구(170)가 내경(185) 및 외경(175)을 가지며, 상기 증기 경로 링(125)이 상기 토러스(115)의 하류에 배치되는, 상기 증기 경로 링(125)과,
    환형 증기 입구(160) 및 환형 증기 출구(165)를 구비한 브리지 링(bridge ring)(120)으로서, 상기 환형 증기 출구(165)는 내경(190) 및 외경(180)을 가지며, 상기 브리지 링(120)은 상기 토러스(115)와 상기 증기 경로 링(125) 사이에 배치되며, 상기 브리지 링(120)의 환형 증기 출구(165)는 상기 증기 경로 링(125)의 환형 증기 입구(170)에 인접하여 있는, 상기 브리지 링(120)을 포함하고,
    상기 증기 경로 링(125)의 환형 증기 입구 외경(175)은 상기 브리지 링(120)의 환형 증기 출구 외경(180)보다 크며, 상기 증기 경로 링(125)의 환형 증기 입구 내경(185)은 상기 브리지 링(120)의 환형 증기 출구 내경(190)보다 작으며,
    상기 브리지 링(120)은 브리지 링의 증기 경로 측을 따라 상기 증기 경로 링(125)을 향하여 돌출하는 돌출부(tongue)를 가지며, 상기 증기 경로 링(125)은 증기 경로 링의 증기 경로 측을 따라 대응하는 오목부(groove)를 가져서, 상기 돌출부와 상기 오목부가 상기 브리지 링(120)과 상기 증기 경로 링(125) 사이에 계면을 형성하는
    노즐 박스 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 증기 경로 링(125)과 상기 브리지 링(120) 사이의 내경차 및 외경차는 반경방향 단차(段差)를 형성하는
    노즐 박스 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 반경방향 단차는 0.000cm와 0.152cm 사이인
    노즐 박스 조립체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 반경방향 단차는 0.076cm인
    노즐 박스 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 증기 경로 링(125)과 브리지 링(120)은 서로 고정적으로 접합되는
    노즐 박스 조립체.
  6. 노즐 박스 조립체를 통해서 증기 유동을 지향시키는 방법에 있어서,
    증기 유동을 토러스(115)를 통해 운반하는 단계와,
    상기 토러스(115)의 하류에서 증기 유동을 반경방향 외측 단차부를 넘어 브리지 링(120)과 증기 경로 링(125) 사이의 계면에 지향시키는 단계를 포함하고,
    상기 브리지 링(120)은 브리지 링의 증기 경로 측을 따라 상기 증기 경로 링(125)을 향하여 돌출하는 돌출부를 가지며, 상기 증기 경로 링(125)은 증기 경로 링의 증기 경로 측을 따라 대응하는 오목부를 가져서, 상기 돌출부와 상기 오목부가 상기 브리지 링(120)과 상기 증기 경로 링(125) 사이에 계면을 형성하는
    증기 유동 지향 방법.
  7. 증기 경로 링(125)에 있어서,
    증기 유동을 지향시키는 일련의 노즐과,
    내경(185)과 외경(175)을 갖는 환형 증기 입구(170)를 포함하고,
    상기 증기 경로 링(125)의 환형 증기 입구 내경(185)은 브리지 링(120)의 환형 증기 출구 내경(190)보다 작으며, 상기 증기 경로 링(125)의 환형 증기 입구 외경(175)은 브리지 링(120)의 환형 증기 출구 외경(180)보다 크며,
    상기 브리지 링(120)은 브리지 링의 증기 경로 측을 따라 상기 증기 경로 링(125)을 향하여 돌출하는 돌출부를 가지며, 상기 증기 경로 링(125)은 증기 경로 링의 증기 경로 측을 따라 대응하는 오목부를 가져서, 상기 돌출부와 상기 오목부가 상기 브리지 링(120)과 상기 증기 경로 링(125) 사이에 계면을 형성하는
    증기 경로 링.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 증기 경로 링(125)과 상기 브리지 링(120) 사이의 외경차 및 내경차는 반경방향 단차를 형성하는
    증기 경로 링.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 반경방향 단차는 0.000cm와 0.152cm 사이인
    증기 경로 링.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 반경방향 단차는 0.076cm인
    증기 경로 링.
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