KR101667386B1 - 축력 특성이 개선된 스팀 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다단으로 연결되는 복수의 노즐회전체의 회전 구동력을 전달하게 되는 터빈축을 지지하게 되는 베어링요소의 부하를 저감할 수 있는 스팀 터빈에 관한 것으로, 하우징과;상기 하우징 내에서 베어링에 의해 회동 가능하게 지지되는 터빈축과;상기 터빈축과 일체로 결합되어, 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 노즐공이 내부에 형성되고 상기 터빈축의 축방향을 따라서 적층되는 복수 개의 디스크 형상의 노즐회전체;를 포함하며, 상기 노즐공은 상기 노즐회전체의 외주면 법선 방향(n)에 대해 터빈축의 축 방향(c)으로 경사를 갖되, 상기 노즐회전체의 회전축에 대해 복수 개가 회전 대칭되고, 작동유체의 흐름 방향으로 경사를 가지며, 상기 노즐공의 경사각(θ)은 0°<θ<90°이며, 각 노즐회전체의 노즐공 경사각도는 서로 다르게 형성되어, 경사를 갖는 노즐공에서 토출되는 스팀에 의해 발생되는 전체 축방향 반력은 노즐공에서 토출된 분출력의 축방향의 합력과 같게 함으로써 터빈축의 축방향 부하를 경감시켜 응력 발생에 의한 진동/피로 문제를 최소화하며, 베어링 수명이 경감되는 것을 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

축력 특성이 개선된 스팀 터빈{Steam turbine improved axial performance}

본 발명은 스팀 터빈에 관한 것으로, 다단으로 연결되는 복수의 노즐회전체의 회전 구동력을 전달하게 되는 터빈축을 지지하게 되는 베어링요소의 부하를 저감할 수 있는 스팀 터빈에 관한 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 스팀 터빈의 구성도이다.

도 1을 참고하면, 종래기술로써 스팀 터빈 시스템은 제1터빈(1)과 제2터빈(2)이 2 스테이지(stage)로 구성되어 각 터빈에서 작용하는 토크가 서로 같게 하여 터빈축(3)을 지지하게 되는 베어링(4)에 작용하는 축방향 하중을 상쇄시킴으로써 베어링에 작용하는 하중을 저감하고 있다.

그러나 이러한 종래기술의 스팀 터빈 시스템은 터빈을 2 스테이지로 구성함에 따른 비용 상승이 발생되며, 전체적인 터빈 사이즈가 커지는 단점이 있다.

다른 종래기술로써 스팀 분사에 의한 반작용을 이용한 스팀 터빈이 다수 제안되어 있으며, 이러한 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(21)를 갖는 로터(20)와, 로터(20)를 회동 가능하게 지지하고 작동유체에 의해 로터(20)를 회전 구동하도록 작동유체의 유로를 제공하게 되는 하우징(30)으로 구성된다.

로터(20)는 다수의 노즐회전체(21)가 터빈축(10)을 따라서 서로 이격되어 다단으로 구성되며, 각각의 노즐회전체(21)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(21) 사이에 위치하게 되는 격벽부(34)를 갖는다.

하우징(30)은 터빈축(10)을 회동 지지하게 되는 베어링(35)이 마련된다.

도 3은 종래기술의 스팀 터빈의 단면 구성도로써, 우측으로 유입된 작동유체(스팀)는 각 노즐회전체(21)의 중앙으로 유입되어 노즐회전체(21)의 외주면의 접선 방향으로 형성된 노즐공을 통해 토출된 후에 다음 단의 노즐회전체로 유입되어 각 단의 노즐회전체(21)를 회전시키게 된다.

도 4는 종래기술의 스팀 터빈의 요부 구성도로써, 각 노즐회전체(21)에서 터빈축(10)의 축방향을 따라서 이루어지는 작동유체의 흐름에 의해 축방향 힘이 작용하게 되며, 따라서 전체적으로 도면 상의 좌측 방향으로 베어링(35)에 축력(F3)이 작용하게 되고 베어링(35)은 이를 지지하도록 반력(F4)이 작용하게 된다.

이와 같이 종래기술의 스팀 터빈은 축방향의 작동유체 흐름 구조에 의해 작용하는 축방향 힘에 의해 베어링의 수명을 단축시키게 되며, 축방향의 하중을 지지할 수 있는 특수한 베어링(tiling pad bearing 등)이 요구되어 터빈 제작비를 상승시키는 요인이 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 터빈축을 지지하게 되는 베어링요소의 부하를 저감할 수 있는 스팀 터빈을 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스팀 터빈은, 하우징과;상기 하우징 내에서 베어링에 의해 회동 가능하게 지지되는 터빈축과;상기 터빈축과 일체로 결합되어, 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 노즐공이 내부에 형성되고 상기 터빈축의 축방향을 따라서 적층되는 복수 개의 디스크 형상의 노즐회전체;를 포함하며, 상기 노즐공은 상기 노즐회전체의 외주면 법선 방향(n)에 대해 터빈축의 축 방향(c)으로 경사를 갖되, 상기 노즐회전체의 회전축에 대해 복수 개가 회전 대칭되고, 작동유체의 흐름 방향으로 경사를 가지며, 상기 노즐공의 경사각(θ)은 0°<θ<90°이며, 각 노즐회전체의 노즐공 경사각도는 서로 다르게 형성되어, 경사를 갖는 노즐공에서 토출되는 스팀에 의해 발생되는 전체 축방향 반력은 노즐공에서 토출된 분출력의 축방향의 합력과 같게 함으로써 터빈축의 축방향 부하를 경감시켜 응력 발생에 의한 진동/피로 문제를 최소화하며, 베어링 수명이 경감되는 것을 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

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본 발명에 따른 스팀 터빈은, 다단으로 구성된 복수의 노즐회전체의 노즐공이 일정한 경사를 갖도록 마련됨으로써, 노즐공에서 토출되는 스팀에 의해 발생되는 전체 축방향 반력과 노즐공에서 토출된 분출력의 축방향의 합력이 서로 상쇄되도록 하여 터빈축의 축방향 부하를 경감시켜 응력 발생에 의한 진동/피로 문제를 최소화하며, 베어링 수명이 단축되는 것을 경감할 수 있는 효과가 있다.

도1은 종래기술에 따른 스팀 터빈의 구성도,
도 2는 다른 종래기술로써 스팀 터빈의 일부를 절개한 구성도,
도 3은 종래기술의 스팀 터빈의 단면 구성도,
도 4는 종래기술의 스팀 터빈의 요부 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 스팀 터빈이 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 구성도이며, 이해를 돕기 위하여 작동유체는 우측에서 유입되어 각 노즐회전체를 경유한 후에 좌측으로 배기되는 것으로 설명하며, n은 노즐회전체의 외주면에서의 법선 방향을 나타내며, t는 노즐회전체의 외주면에서의 터빈축의 축 방향(c)으로의 접선 방향을 나타낸다.

도 5에 예시된 것과 같이, 본 발명의 스팀 터빈은, 하우징(110)과; 하우징(110) 내에서 베어링(121)에 의해 회동 가능하게 지지되는 터빈축(120)과; 터빈축(120)과 일체로 결합되어, 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 노즐공(131)이 내부에 형성되고 터빈축(120)의 축방향을 따라서 적층되는 복수 개의 디스크 형상의 노즐회전체(130);를 포함하며, 노즐공(131)은 노즐회전체(130)의 외주면 법선 방향(n)에 대해 터빈축(120)의 축 방향(c)으로 경사를 갖는 것을 특징으로 한다.

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 포함하여, 각 노즐회전체(130)에서 토출된 작동유체는 격벽부(112)를 따라서 다음 단의 노즐회전체 중앙으로 작동유체의 흐름을 유도하게 된다.

특히 본 발명에서 노즐회전체(130)는 외주면에 노즐공(131)이 형성되며, 이때 노즐공(131)은 외주면 법선 방향(n)에 대해 터빈축(120)의 축 방향(c)으로 일정한 각도(θ)의 경사(0<θ<90°)를 갖는다.

바람직하게는, 노즐공(131)의 경사 방향은 작동유체의 흐름 방향으로 경사를 갖는다.

이와 같이 경사를 갖는 노즐공(131)에서 작동유체가 토출되면서 소정의 분출력(f1)이 발생되며, 이때 토출된 작동유체는 하우징 내에서 분출력(f1)에 의해 반력(f2)이 작용한게 된다.

한편 반력(f2)의 접선방향 성분(f2_t)은 작동유체의 흐름에 의한 축력과 반대 방향으로 작용하여 작동유체에 의한 축력을 상쇄시키게 된다.

경사를 갖는 노즐공(131)에 의한 접선방향 성분(f2_t)에 의한 전체 힘은 다음의 수학식과 표현될 수 있다.

[수학식]

이와 같이, 경사를 갖는 노즐공에서 토출되는 스팀에 의해 발생되는 전체 축방향 반력(F6)은 노즐공에서 토출된 분출력(f1)의 축방향의 합력(F5)과 같게 함으로써 터빈축(120)의 축방향 부하를 경감시켜 응력 발생에 의한 진동/피로 문제를 최소화하며, 베어링 수명이 경감되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 노즐공에서 토출된 분출력(f1)의 법선 방향 성분(f2_n)은 노즐회전체(130)의 노즐공을 회전축에 대해 복수 개가 회전 대칭되도록 마련됨으로써 서로 상쇄될 수 있다.

예를 들어, 노즐회전체(130)의 외주면에 두 개의 노즐공이 서로 180°의 사잇각을 갖고 배치됨으로써 노즐공에서 조출된 분출력(f1)의 법선 방향 성분(f2_n)은 서로 상쇄될 수 있다.

본 실시예에서는 이해를 돕기 위하여 각 노즐회전체의 분출력(f1)이 동일한 것으로 설명하였으나, 실질적으로 각 단의 노즐회전체의 작동유체의 분출력은 차이가 발생되며, 이를 반영하여 각 단의 노즐회전체의 노즐공의 경사 각도를 최적화하여 각 노즐회전체에서의 노즐공 경사각도는 서로 다를 수가 있다.

예를 들어, 작동유체의 유입부와 인접한 노즐회전체는 배기부와 인접한 노즐회전체와 비교하여 상대적으로 작동유체의 축방향 축력이 크게 발생되며, 따라서 유입부와 인접한 노즐회전체는 노즐공의 경사각이 더 크게 제작될 수 있을 것이다.

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
121 : 베어링 130 : 노즐회전체
131 : 노즐공

Claims (4)

1. 하우징과;
   상기 하우징 내에서 베어링에 의해 회동 가능하게 지지되는 터빈축과;
   상기 터빈축과 일체로 결합되어, 작동유체가 분사되면서 회전하도록 적어도 한 개 이상의 노즐공이 내부에 형성되고 상기 터빈축의 축방향을 따라서 적층되는 복수 개의 디스크 형상의 노즐회전체;를 포함하며,
   상기 노즐공은 상기 노즐회전체의 외주면 법선 방향(n)에 대해 터빈축의 축 방향(c)으로 경사를 갖되,
   상기 노즐회전체의 회전축에 대해 복수 개가 회전 대칭되고, 작동유체의 흐름 방향으로 경사를 가지며,
   상기 노즐공의 경사각(θ)은 0°<θ<90°이며,
   각 노즐회전체의 노즐공 경사각도는 서로 다르게 형성되어,
   경사를 갖는 노즐공에서 토출되는 스팀에 의해 발생되는 전체 축방향 반력은 노즐공에서 토출된 분출력의 축방향의 합력과 같게 함으로써 터빈축의 축방향 부하를 경감시켜 응력 발생에 의한 진동/피로 문제를 최소화하며, 베어링 수명이 경감되는 것을 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 스팀 터빈.
   
   
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