KR101644924B1 - 반작용식 스팀 터빈 - Google Patents

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KR101644924B1
KR101644924B1 KR1020150098508A KR20150098508A KR101644924B1 KR 101644924 B1 KR101644924 B1 KR 101644924B1 KR 1020150098508 A KR1020150098508 A KR 1020150098508A KR 20150098508 A KR20150098508 A KR 20150098508A KR 101644924 B1 KR101644924 B1 KR 101644924B1
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이재준
임주창
이상명
오성근
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Abstract

본 발명은 다단으로 연결되는 복수의 노즐회전체의 회전 구동력을 전달하게 되는 터빈축에 작용될 수 있는 불필요한 축력을 저감하며, 각 노즐회전체에서 토출된 작동유체가 노즐회전체의 저항체로 작용하는 것을 방지할 수 있는 스팀 터빈에 관한 것으로, 하우징(110)과; 상기 하우징(110) 내에서 회동 가능하게 지지되는 터빈축(120)과; 상기 터빈축(120)과 일체로 결합되어, 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 노즐공(132)이 형성되고 상기 터빈축(120)의 축방향을 따라서 적층되는 복수 개의 디스크 형상의 노즐회전체(130)와; 상기 노즐회전체(130)의 작동유체 흐름 방향의 후단에 위치하여 상기 하우징(110)에 고정되어 작동유체의 흐름을 안내하게 되는 가이드패널(140);을 포함한다.

Description

반작용식 스팀 터빈{Reaction-type steam turbine}
본 발명은 스팀 터빈에 관한 것으로, 다단으로 연결되는 복수의 노즐회전체의 회전 구동력을 전달하게 되는 터빈축에 작용될 수 있는 불필요한 축력을 저감하며, 각 노즐회전체에서 토출된 작동유체가 노즐회전체의 저항체로 작용하는 것을 방지할 수 있는 스팀 터빈에 관한 것이다.
반작용식 스팀 터빈은 배출되는 스팀 에너지의 반작용에 의해 회전 에너지를 얻게 되어 구조가 간단하면서도 높은 열효율을 얻을 수 있어서 중소 용량의 원동기로 적합하다.
예를 들어, 공개특허 제10-2012-47709호(공개일자: 2012.05.14), 공개특허 제10-2013-42250호(공개일자: 2013.04.26) 및 등록특허 제10-1229575호(등록일자: 2013.01.29)에서는 반작용식 터빈장치를 보여주고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 반작용식 스팀 터빈의 일부를 절개한 구성도이다.
도 1을 참고하면, 스팀 터빈은 터빈축(10)과 함께 접선방향으로 작동유체의 분사가 이루어지는 다수의 노즐회전체(20)와, 노즐회전체(20)를 회동 가능하게 지지하고 작동유체에 의해 노즐회전체(20)를 회전 구동하도록 작동유체의 유로를 제공하게 되는 하우징(30)으로 구성된다.
다수의 노즐회전체(20)는 터빈축(10)을 따라서 서로 이격되어 다단으로 구성되며, 각각의 노즐회전체(20)는 한 쌍의 디스크로 구성되고 일측 축방향에 작동유체가 유입되는 유입공과, 한 쌍의 디스크 내부에 형성된 배기유로를 따라서 접선방향으로 작동유체의 분사가 이루어지도록 다수의 노즐공을 갖는다.
하우징(30)은 대략 원통 형상의 몸체부(31)와, 작동유체가 유입되도록 몸체부(31) 일측에 마련되는 유입부(32)와, 유입부(32) 타측에 위치하여 작동유체의 배기가 이루어지도록 몸체부(31)에 마련되는 배기부(33)와, 몸체부(31) 내주면에는 각각의 노즐회전체(20) 사이에 위치하게 되는 격벽부(34)를 갖는다.
하우징(30)은 터빈축(10)을 회동 지지하게 되는 베어링(35)이 마련된다.
도 2는 종래기술의 스팀 터빈의 단면 구성도로써, 우측으로 유입된 작동유체(스팀)는 각 노즐회전체(20)의 중앙으로 유입되어 노즐회전체(20)의 외주면의 접선 방향으로 형성된 노즐공을 통해 토출된 후에 다음 단의 노즐회전체로 유입되어 각 단의 노즐회전체(20)를 회전시키게 된다.
이와 같이 구성된 반작용식 스팀 터빈은 노즐회전체 내부로 유입된 작동유체를 노즐공을 통해 가속하여 외부로 분사하여 그 반작용력에 의해 노즐회전체의 회전력을 얻게 되는 것으로써, 성능을 극대화하기 위해서는 노즐공 및 노즐회전체 내부를 작동유체의 유입조건과 원하는 유출조건에 맞추어 최적의 형태로 설계가 이루어져야 하며, 특히 작동유체의 열/유동 에너지를 회대로 회수하기 위해서는 노즐회전체의 노즐은 압축성 유동의 지배방정식을 이용하여 출구단 속도가 초음속에 근접하도록 설계가 이루어져야 한다.
한편, 이러한 조건을 충족하도록 최적화된 노즐회전체는 그 결과 노즐회전체의 내부와 외부에서 큰 압력 차이가 발생하게 되며, 이 압력 차이로 인해 터빈축에 강한 단일 방향으로의 축력이 발생한다.
이러한 축력 발생은 베어링의 기계적 부하를 증가시켜 성능 및 수명 감소의 원인이 될 수 있으며, 터빈의 성능저하와 잦은 유지보수로 인해 운용비용 증가를 야기한다. 또한 도 3에서 예시하고 있는 것과 같이, 노즐회전체(20)로부터 배출된 작동유체는 반작용식 스팀 터빈의 특성상 노즐회전체의 회전 방향(A)과 작동유체의 흐름 방향(B)이 서로 반대이므로 노즐회전체 후단에서 배출된 고속의 작동유체가 노즐회전체(20)와 직접 접촉하게 되면 노즐회전체(20)의 회전을 방해하여 결과적으로 노즐회전체(20)의 저항체로 작용하게 된다.
도 4는 종래기술에 따른 스팀 터빈의 축력 작동을 설명하기 위한 단면 구성도이다.
도 4에서 작동유체의 각 유로 지점에서의 정압(Static Pressure, Ps)을 대략 비교하면, Ps1 > Ps2 > Ps4
Figure 112015067069794-pat00001
Ps5 >> Ps7 > Ps8 >> Ps6
Figure 112015067069794-pat00002
Ps3의 순서가 된다.
노즐회전체(20) 내부에서의 작동유체 압력은 전적으로 유동 마찰에 의해서만 감소하기 때문에 노즐회전체(20) 내부에서의 각 지점별 압력차는 상대적으로 변화가 적으며, 인렛(20a)에서 노즐공(20b)로 이동하는 동안 마찰에 의해 약간의 정압손실이 발생한다. 반면 노즐공(20b)을 거친 작동유체는 속도가 높아지면서 급격한 압력저하 현상이 나타나게 되며(6번 지점), 노즐회전체(20) 외곽에서 이동하는 동안 유체속도가 감소하면서 압력이 일정부분 회복되게 된다(7,8번 지점). 마지막으로 3번 지점에서는 유동이 정체되어 있는 상태이므로 6번과 3번의 정압은 거의 비슷한 상황으로 볼 수 있다. 이러한 노즐회전체(20)의 내부/외부에서의 유체 압력 분포가 형성되는 경우에 노즐회전체(20)의 벽면(z1, z2, z3)에서 발생되는 힘의 분포(F1, F2, F3)는 다음의 [수학식 1]과 같이 각 지점별 압력차와 노즐회전체 벽면 면적으로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
F1 = (Ps2 - Ps8)×A_z1,
F2 = (Ps5 - Ps7)×A_z2,
F3 = (Ps4 - Ps3)×A_z3,
위 수학식에서 A는 각 벽면(z1, z2, z3)의 면적이다.
또한 하나의 노즐회전체(21) 전체에 나타나는 힘(Ft)은 다음의 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Ft = F3 - F1 - F2
이와 같이 표현된 수학식들에서 각 지점별 압력차가 균일하지 않고 노즐회전체 벽면 면적도 차이가 발생되기 때문에 노즐회전체(20) 전체에 발생하는 힘(Ft)은 '0'이 되지 않으며, 이와 같이 각 노즐회전체에서 발생된 힘은 터빈축(10)에 전달되어 단일 방향의 축력으로 나타나게 된다.
공개특허공보 제10-2012-0047709호(공개일자: 2012.05.14)
공개특허공보 제10-2013-0042250호(공개일자: 2013.04.26)
등록특허공보 제10-1229575호(등록일자: 2013.01.29)
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다단으로 연결되는 복수의 노즐회전체의 회전 구동력을 전달하게 되는 터빈축에 작용될 수 있는 불필요한 축력을 저감하며, 각 노즐회전체에서 토출된 작동유체가 노즐회전체의 저항체로 작용하는 것을 방지할 수 있는 스팀 터빈을 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스팀 터빈은, 하우징과; 상기 하우징 내에서 회동 가능하게 지지되는 터빈축과; 상기 터빈축과 일체로 결합되어, 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 노즐공이 형성되고 상기 터빈축의 축방향을 따라서 적층되는 복수 개의 디스크 형상의 노즐회전체와; 상기 노즐회전체의 작동유체 흐름 방향의 후단에 위치하여 상기 하우징에 고정되어 작동유체의 흐름을 안내하게 되는 가이드패널;을 포함한다.
바람직하게는, 상기 가이드패널은, 터빈축이 관통하여 위치하도록 축공이 형성된 패널몸체와; 상기 패널몸체의 테두리에서 돌출 형성되어 상기 하우징 내측에 고정되는 고정돌기를 포함한다.
보다 바람직하게는, 상기 패널몸체는, 작동유체 흐름 방향의 전단에 위치하는 노즐회전체의 직경과 같거나 더 작은 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 가이드패널은, 서로 이웃하는 두 노즐회전체 중에서 작동유체 흐름 방향의 전단에 위치하는 노즐회전체와 더 인접하여 배치됨을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 스팀 터빈은, 다단으로 구성된 복수의 노즐회전체의 각 후단에 가이드패널을 구비하여 분사된 작동유체가 해당 노즐회전체와 접촉하여 발생될 수 있는 마찰손실을 최소화함으로써, 터빈축의 축방향 부하를 경감시켜 응력 발생에 의한 진동/피로 문제를 최소화하고 베어링요소의 수명을 연장할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 스팀 터빈의 일부를 절개한 구성도,
도 2는 종래기술의 스팀 터빈 일부의 단면 구성도,
도 3은 종래기술에 따른 스팀 터빈의 노즐회전체와 작동유체의 작동 흐름을 보여주는 도면,
도 4는 종래기술에 따른 스팀 터빈의 축력 작동을 설명하기 위한 단면 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 스팀 터빈의 요부 구성을 보여주는 단면 구성도,
도 6은 본 발명의 가이드패널의 평면 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 스팀 터빈의 출력 작동을 설명하기 위한 단면 구성도.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 스팀 터빈의 요부 구성도로써, 이해를 돕기 위하여 작동유체는 우측에서 유입되어 각 노즐회전체를 경유한 후에 좌측으로 배기되는 것으로 설명한다.
도 5에 예시된 것과 같이, 본 발명의 스팀 터빈은, 하우징(110)과; 하우징(110) 내에서 회동 가능하게 지지되는 터빈축(120)과; 터빈축(120)과 일체로 결합되어, 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 노즐공(132)이 형성되고 터빈축(120)의 축방향을 따라서 적층되는 복수 개의 디스크 형상의 노즐회전체(130)와; 노즐회전체(130)의 작동유체 흐름 방향의 후단에 위치하여 하우징(110)에 고정되어 작동유체의 흐름을 안내하게 되는 가이드패널(140);을 포함한다.
하우징(110)은 터빈의 외관을 구성하게 되는 몸체부(111)와, 몸체부(111)에서 일체로 내측으로 확장되어 각 노즐회전체(130)를 구획하게 되는 격벽부(112)를 포함하며, 각 노즐회전체(130)에서 토출된 작동유체는 격벽부(112)를 따라서 다음 단의 노즐회전체 중앙으로 작동유체의 흐름을 유도하게 된다. 도시되지 않았으나, 터빈축(120)은 베어링에 의해 하우징(110) 내에서 회동 가능하게 지지된다.
노즐회전체(130)는 외주면에 노즐공(132)이 형성되며, 본 실시예에서 노즐공(132)은 외주면 법선 방향(n)으로 형성되는 것으로 예시하고 있으나, 터빈축(120)의 축 방향에 대해 작동 유체의 흐름 방향으로 경사를 갖고 형성될 수도 있다.
가이드패널(140)은 각 노즐회전체(130)의 작동유체 흐름 방향의 후단에 위치하여 하우징(110)에 고정되어 작동유체의 흐름을 안내하게 된다.
구체적으로, 도 6을 참고하면, 가이드패널(140)은 터빈축이 관통하여 위치하도록 축공(141a)이 형성된 패널몸체(141)와; 패널몸체(141)의 테두리에서 돌출 형성되어 하우징(110) 내측에 고정되는 고정돌기(142)를 포함한다.
패널몸체(141)는 원형의 디스크 형상으로써, 중앙에 축공(141a)이 형성되어 축공(141a) 내에 터빈축(120)이 관통하여 위치한다.
바람직하게는, 패널몸체(141)의 직경(2r)은 작동유체 흐름 방향의 전단에 위치하게 되는 노즐회전체와 적어도 같거나 더 작은 것을 특징으로 한다.
패널몸체(141)의 크기는 전단에 위치하는 노즐회전체와의 이격거리 등을 고려하여 결정될 수 있으며, 노즐회전체에서 분사된 작동유체는 후단에 위치하는 가이드패널(140)에 의해 다음 단의 노즐회전체로 이동하게 되어 해당 노즐회전체의 저항으로 작용하지 않는다.
고정돌기(142)는 패널몸체(141)의 테두리에서 방사형으로 돌출되게 형성되어 하우징(110)의 내주면에 고정된다. 고정돌기(142)는 하우징과 용접에 의해 고정될 수 있으며, 또는 고정돌기가 끼움 고정될 있도록 하우징에 요홈이 형성되어 끼움 조립에 의해 고정이 이루어질 수도 있다.
도 7은 본 발명에 따른 스팀 터빈의 출력 작동을 설명하기 위한 단면 구성도이다.
도 7에 예시된 것과 같이, 본 발명에서 가이드패널(140)은 서로 이웃하는 두 노즐회전체 중에서 작동유체 흐름 방향의 전단에 위치하는 노즐회전체와 더 인접(d1<d2)하게 배치함으로써, 노즐회전체(130)에서 분사된 대부분의 작동유체는 격벽부(112)와 가이드패널(130) 사이의 공간으로 이동하여 해당 노즐회전체(130)와의 유동에 의한 마찰손실을 감소시킬 수 있다.
도 7을 참고하면, 노즐회전체(130) 벽면에 영향을 주는 유로 지점은 1, 2, 3, 4, 5, 7, 9번 지점이며, 대부분의 작동유체가 지나가는 8, 10번 지점의 유체 정압은 하우징(110)에 고정된 가이드패널(140)로 인하여 노즐회전체(130)와는 무관하게 된다.
또한, 가이드패널(140)의 설치 위치(노즐회전체와의 이격 거리)에 따라서 노즐회전체(130)와 가이드패널(140) 사이의 공간으로 유입되는 작동유체의 량을 적절하게 조절할 수 있으며, 따라서 노즐회전체(130)의 추력 방향과 크기(F1, F2, F3의 합력 Ft)를 계산하여 터빈축(120) 추력을 최소화할 수 있는 위치에 가이드패널(140)을 고정 설치하게 된다.
또한 본 발명은 노즐회전체(130)에서 분사된 작동유체가 해당 노즐회전체(130)와의 접촉을 차단하여 유동에 의한 마찰손실을 최소화함으로써 터빈축에 불필요한 축력 부하를 경감하여 터빈축을 지지하게 되는 베어링요소의 축방향 부하를 저감하여 베어링요소의 기계적 손실에 의한 수명 단축을 최소화할 수 있다.
한편, 다단 구성되는 노즐회전체의 작동유체 분출력은 실질적으로는 서로 동일하지 않으며, 따라서 이를 반영하여 각 노즐회전체 후단에 배치되는 가이드패널과 노즐회전체 사이의 이격거리는 각 노즐회전체의 분출력을 반영하여 서로 다를 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
110 : 하우징 120 : 터빈축
130 : 노즐회전체 131 : 인렛
132 : 노즐공 140 : 가이드패널

Claims (4)

  1. 하우징과;
    상기 하우징 내에서 회동 가능하게 지지되는 터빈축과;
    상기 터빈축과 일체로 결합되어, 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 노즐공이 형성되고 상기 터빈축의 축방향을 따라서 적층되는 복수 개의 디스크 형상의 노즐회전체와;
    상기 노즐회전체의 작동유체 흐름 방향의 후단에 위치하여 상기 하우징에 고정되어 작동유체의 흐름을 안내하게 되는 가이드패널;을 포함하며,
    상기 가이드패널은,
    상기 터빈축이 관통하여 위치하도록 축공이 형성된 패널몸체와;
    상기 패널몸체의 테두리에서 돌출 형성되어 상기 하우징 내측에 고정되는 고정돌기를 포함하는 스팀 터빈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 패널몸체는, 작동유체 흐름 방향의 전단에 위치하는 노즐회전체의 직경과 같거나 더 작은 것을 특징으로 하는 스팀 터빈.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 가이드패널은,
    서로 이웃하는 두 노즐회전체 중에서 작동유체 흐름 방향의 전단에 위치하는 노즐회전체와 더 인접하여 배치됨을 특징으로 하는 스팀 터빈.
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