KR101702528B1 - 정지부 시일 구조 - Google Patents
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Abstract
서로 다른 압력의 공간을 칸막이하여 축 방향, 반지름 방향의 위치 어긋남에 대해서도 증기의 누설을 억제할 수 있는 정지부 시일 구조를 제공한다. 실시형태의 정지부 시일 구조는, 외부 케이싱의 벽면에 둘레 방향으로 고리 형상으로 형성되며, 홈부 및 홈부의 개구부를 좁히도록 홈부의 양 측면의 각각으로부터 돌출한 돌출부를 갖는 삽입홈과, 내부 케이싱의 삽입홈에 대향하는 벽면에 둘레 방향으로 고리 형상으로 형성되며, 홈부 및 홈부의 개구부를 좁히도록 홈부의 양 측면의 각각으로부터 돌출한 돌출부를 갖는 삽입홈과, 삽입홈에 외경측 단부가 삽입되며, 삽입홈에 내경측 단부가 삽입된 평판 고리 형상의 시일 부재를 구비한다. 칸막이하는 공간의 압력 차에 의해서 시일 부재가 돌출부 및 돌출부에 밀어붙여진다.
Description
본 발명의 실시형태는 정지부(靜止部) 시일(seal) 구조에 관한 것이다.
종래의 증기 터빈(turbine)에 있어서, 독립된 2개의 정지 부품간에는, 서로 다른 압력의 공간을 칸막이하는 접촉형 핀(fin)이나 끼워맞춤 구조부 등이 구비되어 증기의 누설을 억제하고 있다. 접촉형 핀에서는 대향하는 정지 부품에 탄성 부재에 의하여 핀을 밀어붙임으로써 증기의 누설을 억제하고 있다.
끼워맞춤 구조부에서는, 한쪽의 정지 부품에 둘레 방향으로 형성된 끼워맞춤 볼록부를, 다른 쪽의 정지 부품에 둘레 방향으로 형성된 끼워맞춤 오목부에 끼워맞춤으로써 증기의 누설을 억제하고 있다. 이 경우, 정지 부품이 다른 한쪽의 정지 부품에 압력 차에 의하여 밀어붙여져서 스팀 조인트(steam joint)면을 형성함으로써 증기의 누설을 억제하고 있다. 혹은, 끼워맞춤 볼록부와 끼워맞춤 오목부의 간극을 작게 설정하여 증기의 유로를 좁힘으로써 증기의 누설을 억제하고 있다.
또한, 종래의 증기 터빈에 있어서, 대향하는 정지 부품의 각각에 둘레 방향으로 홈을 형성하고, 구형(球形) 단부(端部)를 갖는 고리 형상 시일 부재를 각각의 홈에 끼워넣음으로써 증기의 누설을 억제하고 있다.
독립된 2개의 정지 부품 사이를 시일할 때, 양 정지 부품의 온도차나, 선팽창 계수 차, 열신장 기점(起点)의 차이 등에 의하여, 정지 부품이 터빈 로터(turbine rotor)의 축 방향(이하, 축 방향이라 함) 또는 반지름 방향(이하, 반지름 방향이라 함)으로 이동하여 정지 부품간에 위치 어긋남이 발생한다.
종래의 접촉형 핀을 사용하고 있을 경우, 축 방향으로 위치 어긋남이 발생하면, 핀의 마모나 시징(seizing)(늘어 붙음 현상)이 발생하는 경우가 있었다. 접촉형 핀의 탄성 부재의 신축성은 작아 반지름 방향의 위치 어긋남에 추종할 수 있는 범위는 제한되어 있었다. 한편, 종래의 끼워맞춤 구조를 사용하고 있을 경우, 축 방향으로 위치 어긋남이 발생하면, 끼워맞춤부에 과대한 응력이 발생하여 끼워맞춤 볼록부가 부러지는 경우가 있었다.
홈에 구형 단부를 갖는 고리 형상 시일 부재를 끼워넣는 시일 구조를 사용하고 있을 경우, 축 방향으로 위치 어긋남이 발생하면, 고리 형상 시일 부재가 변형해서 추종한다. 그러나, 이 시일 방법에서는 구면과 평면의 접촉, 즉 선 형상의 접촉으로 되기 때문에 시일의 신뢰성에 문제가 있었다. 또한, 고리 형상 시일 부재가 변형되었을 때, 고리 형상 시일 부재의 상반부(上半部)와 하반부(下半部)의 분할부가 개구되어 둘레 전체에서 불균일한 비틀림이 발생하는 경우가 있다. 그 때문에, 고리 형상 시일 부재가 홈의 벽면에 접촉하지 않는 부분이 발생하여 증기가 누설되는 경우가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 서로 다른 압력의 공간을 칸막이하여 터빈 로터 축 방향, 반지름 방향의 위치 어긋남에 대해서도 증기의 누설을 억제할 수 있는 정지부 시일 구조를 제공하는 것이다.
실시형태의 정지부 시일 구조는, 제1 정지 부품과 제2 정지 부품 사이에 설치되며, 서로 다른 압력의 공간을 칸막이하는 정지부 시일 구조로서, 상기 제1 정지 부품의 상기 제2 정지 부품에 대향하는 벽면에 둘레 방향에 걸쳐서 고리 형상으로 형성되며, 제1 홈부 및 상기 제1 홈부의 개구부를 좁히도록 상기 제1 홈부의 양 측면으로부터 각각 돌출한 한 쌍의 제1 돌출부를 갖는 제1 삽입홈과, 상기 제2 정지 부품의 상기 제1 삽입홈에 대향하는 벽면에 둘레 방향에 걸쳐서 고리 형상으로 형성되며, 제2 홈부 및 상기 제2 홈부의 개구부를 좁히도록 상기 제2 홈부의 양 측면으로부터 각각 돌출한 한 쌍의 제2 돌출부를 갖는 제2 삽입홈과, 상기 제1 삽입홈에 외경측 단부가 삽입되며, 상기 제2 삽입홈에 내경측 단부가 삽입된 평판 고리 형상의 시일 부재를 구비하고, 상기 시일 부재로 칸막이하는 공간의 압력 차에 의해서, 상기 시일 부재의 상기 양 단부가 한쪽의 상기 제1 돌출부 및 한쪽의 상기 제2 돌출부에 밀어붙여지는 것을 특징으로 한다.
실시형태의 정지부 시일 구조에 따르면, 정지 부품간에 있어서 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생해 있는 경우에 있어서도, 서로 다른 압력의 공간을 칸막이하여 고압측으로부터 저압측에의 증기의 누설을 억제할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태의 정지부 시일 구조를 구비한 증기 터빈의 자오(子午, meridional) 단면(斷面)의 일부를 나타내는 도면.
도 2는 제1 실시형태의 정지부 시일 구조의 종단면을 나타내는 도면.
도 3은 제1 실시형태의 정지부 시일 구조의 종단면을 나타내는 도면.
도 4는 제1 실시형태의 정지부 시일 구조의 종단면을 나타내는 도면.
도 5는 제1 실시형태의 정지부 시일 구조를 구성하는 시일 부재의 사시도.
도 6은 상반부와 하반부의 다른 접속 방법을 설명하기 위한, 제1 실시형태의 정지부 시일 구조를 구성하는 시일 부재의 사시도.
도 7은 제1 실시형태의 정지부 시일 구조의 하반부의 종단면을 나타내는 도면.
도 8은 제2 실시형태의 정지부 시일 구조의 종단면을 나타내는 도면.
도 9는 제2 실시형태의 정지부 시일 구조의 종단면을 나타내는 도면.
도 10은 제2 실시형태의 정지부 시일 구조의 종단면을 나타내는 도면.
도 2는 제1 실시형태의 정지부 시일 구조의 종단면을 나타내는 도면.
도 3은 제1 실시형태의 정지부 시일 구조의 종단면을 나타내는 도면.
도 4는 제1 실시형태의 정지부 시일 구조의 종단면을 나타내는 도면.
도 5는 제1 실시형태의 정지부 시일 구조를 구성하는 시일 부재의 사시도.
도 6은 상반부와 하반부의 다른 접속 방법을 설명하기 위한, 제1 실시형태의 정지부 시일 구조를 구성하는 시일 부재의 사시도.
도 7은 제1 실시형태의 정지부 시일 구조의 하반부의 종단면을 나타내는 도면.
도 8은 제2 실시형태의 정지부 시일 구조의 종단면을 나타내는 도면.
도 9는 제2 실시형태의 정지부 시일 구조의 종단면을 나타내는 도면.
도 10은 제2 실시형태의 정지부 시일 구조의 종단면을 나타내는 도면.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조해서 설명한다.
(제1 실시형태)
도 1은 제1 실시형태의 정지부 시일 구조(10)를 구비한 증기 터빈(100)의 자오 단면의 일부를 나타내는 도면이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 증기 터빈(100)은 내부 케이싱(casing)(110)과 그 외측에 설치된 외부 케이싱(111)으로 구성되는 2중 구조의 케이싱을 구비하고 있다. 또한, 내부 케이싱(110) 내에 동익(動翼)(112)이 식설(植設, implant)된 터빈 로터(113)가 관통 설치되어 있다. 이 터빈 로터(turbine rotor)(113)는 로터 베어링(도시하지 않음)에 의하여 회전 가능하게 지지되어 있다.
내부 케이싱(110)의 내측에는 다이어프램(diaphragm) 외륜(114)과 다이어프램 내륜(115) 사이에 지지된 정익(靜翼)(116)이 배설(配設)되어 있다. 정익(116)은 터빈 로터(113)의 축 방향으로 동익(112)과 교호(交互)가 되도록 설치되어 있다.
터빈 로터(113)와 각 케이싱 사이에는 증기의 외부에의 누설을 억제하기 위하여 그랜드 시일(grand seal)부(117)가 설치되어 있다. 또한, 터빈 로터(113)와 다이어프램 내륜(115) 사이에는 증기의 하류측에의 누설을 억제하기 위하여 시일부(118)가 설치되어 있다.
내부 케이싱(110)과 외부 케이싱(111) 사이에는 서로 다른 압력의 공간을 칸막이하는 정지부 시일 구조(10)를 구비하고 있다. 또한, 예를 들면, 그랜드 시일부(117)를 구성하는 그랜드 케이싱(grand casing)(117a)과 외부 케이싱(111) 사이에도 정지부 시일 구조(10)를 구비하고 있다. 이들 내부 케이싱(110), 외부 케이싱(111) 및 그랜드 케이싱(117a)은 정지 부품이다. 그 외에도, 정지부 시일 구조(10)는 다른 정지 부품간에 구비할 수 있으며 서로 다른 압력의 공간을 칸막이하여 증기의 누설을 억제한다.
여기에서, 정지부 시일 구조(10)가 적용되는 증기 터빈(100)은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 초고압 터빈, 고압 터빈, 중압 터빈, 저압 터빈 등에 정지부 시일 구조(10)를 적용할 수 있다.
다음으로, 정지부 시일 구조(10)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2∼도 4는 제1 실시형태의 정지부 시일 구조(10)의 종단면을 나타내는 도면이다. 여기에서, 도 2는 증기 터빈(100)을 운전하고 있지 않은 상태, 도 3은 증기 터빈(100)이 운전되며 정지 부품간에 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생해 있지 않은 상태, 도 4는 증기 터빈(100)이 운전되며 정지 부품간에 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생해 있는 상태를 나타내고 있다.
여기에서는, 내부 케이싱(110)과 외부 케이싱(111) 사이에 설치된 정지부 시일 구조(10)를 예시해서 설명한다. 또, 예를 들면, 외부 케이싱(111)은 제1 정지 부품으로서 기능하고, 내부 케이싱(110)은 제2 정지 부품으로서 기능한다.
외부 케이싱(111)의 내부 케이싱(110)에 대향하는 벽면(111a)에는 둘레 방향에 걸쳐서 고리 형상으로 삽입홈(20)이 형성되어 있다. 삽입홈(20)은 도 2에 나타내는 바와 같이, 단면이 대략 사각형인 홈부(21) 및 이 홈부(21)의 개구부(22)를 좁히도록 홈부(21)의 양 측면(23, 24)의 각각으로부터 돌출한 돌출부(25, 26)를 구비한다. 여기에서, 예를 들면, 삽입홈(20)은 제1 삽입홈, 홈부(21)는 제1 홈부, 돌출부(25, 26)는 한 쌍의 제1 돌출부로서 기능한다.
내부 케이싱(110)의 삽입홈(20)에 대향하는 벽면(110a)에는 둘레 방향에 걸쳐서 고리 형상으로 삽입홈(30)이 형성되어 있다. 삽입홈(30)은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 단면이 대략 사각형인 홈부(31) 및 이 홈부(31)의 개구부(32)를 좁히도록 홈부(31)의 양 측면(33, 34)의 각각으로부터 돌출한 돌출부(35, 36)를 구비한다. 여기에서, 예를 들면, 삽입홈(30)은 제2 삽입홈, 홈부(31)는 제2 홈부, 돌출부(35, 36)는 한 쌍의 제2 돌출부로서 기능한다.
돌출부(25, 26, 35, 36)의 모서리부(25a, 26a, 35a, 36a) 중 적어도 시일 부재(40)가 밀어붙여지는 모서리부는, 예를 들면 둥근 면으로 모따기(R 모따기)하는 것이 바람직하다.
또한, 돌출부(25, 26, 35, 36)의 모서리부(25a, 26a, 35a, 36a) 중 적어도 시일 부재(40)가 밀어붙여지는 모서리부는, 예를 들면 각진 면으로 모따기(C 모따기)해도 된다. 모서리부(25a, 26a, 35a, 36a)를 제외한 돌출부(25, 26, 35, 36)의 볼록면(25b, 26b, 35b, 36b)은 연직인 평면으로 구성되어 있다.
삽입홈(20) 및 삽입홈(30)에는 평판 고리 형상의 시일 부재(40)가 삽입되어 있다. 구체적으로는, 시일 부재(40)의 외경측 단부(41)는 삽입홈(20)에 삽입되고, 시일 부재(40)의 내경측 단부(42)는 삽입홈(30)에 삽입되어 있다.
시일 부재(40)는, 정지 부품(여기에서는, 내부 케이싱(110) 또는 외부 케이싱(111))을 구성하는 재료와 같은 재료, 또는 동등한 내열성이나 선팽창 계수를 갖는 재료 등으로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 시일 부재(40)는, 증기 터빈(100)이 운전되며 정지 부품간에 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생해 있지 않은 상태에 있어서, 도 3에 나타내는 바와 같이, 칸막이하는 공간의 압력 차(P1-P2)(여기에서는 P1>P2)에 의하여, 돌출부(26) 및 돌출부(36)에 밀어붙여진다. 이때, 시일 부재(40)가 휘는 등의 변형이 가능하고, 또한 압력(P1, P2)에 견딜 수 있는 범위에서 시일 부재(40)의 두께를 얇게 하는 것이 바람직하다.
여기에서, 돌출부(25)와 돌출부(26) 사이의 개구 거리(L1)는 돌출부(35)와 돌출부(36) 사이의 개구 거리(L2)보다 길게 구성되어 있다. 또, 여기에서는, 개구 거리(L1)를 개구 거리(L2)보다 길게 구성한 일례를 나타내고 있지만, 개구 거리(L2)를 개구 거리(L1)보다 길게 구성해도 된다.
상기한 바와 같이, 증기 터빈(100)이 운전되며 정지 부품간에 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생해 있지 않은 상태에 있어서는, 시일 부재(40)가 돌출부(26) 및 돌출부(36)에 밀어붙여지면, 시일 부재(40)는 도 3에 나타내는 바와 같이 경사진 상태로 된다. 개구 거리(L1) 및 개구 거리(L2)를 상기한 바와 같이 설정하는 이유 중 하나는, 이 경사진 상태에 있어서, 삽입홈(30)에 삽입되어 있는 시일 부재(40)의 내경측 단부(42)가 돌출부(35)에 접촉하지 않도록 하기 위해서이다. 예를 들면, 시일 부재(40)가 돌출부(26) 및 돌출부(36)에 밀어붙여질 때, 시일 부재(40)의 내경측 단부(42)가 돌출부(35)에 접촉하면, 내경측 단부(42)에 응력이 가해져 시일 부재(40)가 파손되는 경우가 있다.
증기 터빈(100)을 운전하고 있지 않은 상태에 있어서의 시일 부재(40)와 돌출부(26)의 거리(L3)는 정지 부품간의 열신장 차에 따른 터빈 로터 축 방향의 위치 어긋남을 고려해서 설정된다. 구체적으로는, 예를 들면, 정지 부품간의 열신장 차에 따른 터빈 로터 축 방향의 위치 어긋남이 최대로 되었을 때에, 도 4에 나타내는 바와 같이, 시일 부재(40)가 내부 케이싱(110)과 외부 케이싱(111) 사이에서 연직으로 되고, 양 단부(41, 42)의 우측면이 돌출부(26) 및 돌출부(36)에 면 접촉하도록 거리(L3)가 설정된다.
시일 부재(40)의 외경측 단부(41)와 홈부(21)의 저부(21a) 사이, 및 시일 부재(40)의 내경측 단부(42)와 홈부(31)의 저부(31a) 사이는 소정의 간극이 마련되어 있다. 이 간극은, 정지 부품이나 시일 부재(40)의 연직 방향으로 열신장이 발생했을 때, 시일 부재(40)의 양 단부(41, 42)가 저부(21a) 및 저부(31a)에 접촉하지 않도록 설정되어 있다.
여기에서, 시일 부재(40)의 상반부(43)와 하반부(44)의 접속에 대하여 설명한다.
도 5는 제1 실시형태의 정지부 시일 구조(10)를 구성하는 시일 부재(40)의 사시도이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 시일 부재(40)는 상반부(43)와 하반부(44)를 접속함으로써 평판 고리 형상을 구성한다. 상반부(43) 및 하반부(44)의 한쪽의 표면의 둘레 방향의 대향하는 양 단부에는 각각 플랜지부(45, 46)가 설치되어 있다.
플랜지(flange)부(45, 46)에는 볼트(bolt)를 삽입하기 위한 볼트 구멍(47, 48)이 형성되어 있다. 그리고, 볼트 구멍(47, 48)을 통하여 상반부(43)와 하반부(44)를 볼트 체결하여 상반부(43)와 하반부(44)를 접속하고 있다.
여기에서, 하반부(44)의 둘레 방향의 양 단부의 외주에는 반지름 방향 외측으로 돌출하는 2개의 수평 지지부(49)가 형성되어 있다. 이 2개의 수평 지지부(49)를, 예를 들면 외부 케이싱(111)의 수평 단면에 계지(係止)함으로써, 시일 부재(40)는 외부 케이싱(111)에 지지된다. 시일 부재(40)는 터빈 로터 축 방향 및 반지름 방향으로 약간 이동할 수 있게 지지되어 있다.
또, 수평 지지부(49)는 하반부(44)와 일체적으로 형성되어도 된다. 또한, 수평 지지부(49)는 하반부(44)와 별체로 형성되고 하반부(44)에 접합해도 된다.
이렇게, 상반부(43)와 하반부(44)를 접속함으로써 분할부로부터의 증기의 누설을 억제할 수 있다.
또, 시일 부재(40)의 상반부(43)와 하반부(44)의 접속 방법은 상기한 접속 방법에 한하는 것은 아니다. 도 6은 상반부(43)와 하반부(44)의 다른 접속 방법을 설명하기 위한, 제1 실시형태의 정지부 시일 구조(10)를 구성하는 시일 부재(40)의 사시도이다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 예를 들면, 상반부(43)의 둘레 방향의 양 단부에 끼워맞춤 오목부(50)를 형성하고, 하반부(44)의 둘레 방향의 양 단부에 끼워맞춤 오목부(50)에 대향해서 끼워맞추는 끼워맞춤 볼록부(51)를 형성해도 된다. 끼워맞춤 오목부(50) 및 끼워맞춤 볼록부(51)의 시일 부재(40)의 두께 방향에 수직인 단면 형상은, 예를 들면 윗변 쪽이 아랫변보다 긴 사다리꼴이다.
끼워맞춤 오목부(50) 및 끼워맞춤 볼록부(51)를 이러한 형상으로 함으로써, 시일 부재(40)의 변형 시에 발생하는 분할부의 단면에 수직인 개구력(開口力)을 끼워맞춤부에 의해 억제할 수 있다.
다음으로, 정지부 시일 구조(10)의 작용에 대하여 도 2∼도 4를 참조해서 설명한다.
우선, 도 2를 사용하여, 증기 터빈(100)을 운전하고 있지 않은 상태에 있어서의 정지부 시일 구조(10)에 대해서 설명한다. 시일 부재(40)의 외경측 단부(41)는 돌출부(26)로부터 축 방향으로 L3의 거리를 두고 삽입홈(20)에 삽입되어 있다. 시일 부재(40)의 내경측 단부(42)는 삽입홈(30)의 축 방향의 대략 중앙에 삽입되어 있다. 이 상태에 있어서, 시일 부재(40)는 내부 케이싱(110)과 외부 케이싱(111) 사이에서 연직으로 설치되어 있다.
다음으로, 도 3을 사용하여, 증기 터빈(100)이 운전되며 정지 부품간(여기에서는, 내부 케이싱(110)과 외부 케이싱(111) 사이)에 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생해 있지 않은 상태에 있어서의 정지부 시일 구조(10)에 대하여 설명한다.
도 2에 나타낸 상태에서 증기 터빈(100)이 운전되면, 칸막이하는 공간의 압력 차(P1-P2)(여기에서는 P1>P2)에 의하여, 시일 부재(40)는 도 3에 나타내는 바와 같이, 돌출부(26) 및 돌출부(36)에 밀어붙여진다. 이때, 시일 부재(40)는 밀어붙여지는 압력에 의하여 저압측으로 휘어지는 경우가 있다. 즉, 내부 케이싱(110)과 외부 케이싱 사이에 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생해 있지 않은 상태에서는, 시일 부재(40)가 기울어져서 그 양 단부(41, 42)의 우측면이 돌출부(26) 및 돌출부(36)에 밀어붙여지고, 또한 양 단부(41, 42)의 좌측면이 돌출부(25) 및 돌출부(35)에는 접촉하지 않는 형상으로 된다.
또, 도 2 내지 도 4에서는 시일 부재(40)의 상반부(43)측의 단면을 나타내고 있지만, 하반부(44)측에 있어서도 상반부(43)측의 단면과 마찬가지의 상태로 된다. 도 7은 제1 실시형태의 정지부 시일 구조(10)의 하반부(44)측의 종단면을 나타내는 도면이다. 즉, 도 7에 나타내는 바와 같이, 하반부(44)측에 있어서도 시일 부재(40)는 돌출부(26) 및 돌출부(36)에 밀어붙여진다.
이렇게, 압력 차(P1-P2)에 의하여 시일 부재(40)가 돌출부(26) 및 돌출부(36)에 밀어붙여지기 때문에, 고압측으로부터 저압측에의 증기의 누설을 억제할 수 있다.
다음으로, 도 4를 사용하여, 증기 터빈(100)이 운전되며 정지 부품간에 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생해 있는 상태에 있어서의 정지부 시일 구조(10)에 대하여 설명한다.
도 3 및 도 7에 나타낸 상태에서 증기 터빈(100)의 정격운전에 맞춘 운전이 행해지면 정지 부품간에 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생한다. 이때, 시일 부재(40)는 돌출부(26) 및 돌출부(36)에 밀어붙여지면서, 돌출부(26) 및 돌출부(36)의 R 모따기된 모서리부(26a, 36a)를 따라 원활하게 자세가 변하여, 도 4에 나타내는 바와 같이, 내부 케이싱(110)과 외부 케이싱(111) 사이에서 연직으로 된다. 이 상태에 있어서, 시일 부재(40)의 양 단부(41, 42)의 우측면은 연직 평면인 돌출부(26)의 볼록면(26b) 및 돌출부(36)의 볼록면(36b)에 면 접촉한다. 그 때문에, 고압측으로부터 저압측에의 증기의 누설을 확실하게 억제할 수 있다. 여기에서, 도 4에 나타낸 상태는, 예를 들면 증기 터빈(100)의 정격운전 시에 실현된다.
상기한 바와 같이, 제1 실시형태의 정지부 시일 구조(10)에 따르면, 정지 부품간에 있어서 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생해 있는 경우에 있어서도, 서로 다른 압력의 공간을 칸막이하여 고압측으로부터 저압측에의 증기의 누설을 억제할 수 있다.
(제2 실시형태)
도 8은, 제2 실시형태의 정지부 시일 구조(11)의 종단면을 나타내는 도면이다. 여기에서, 도 8은 증기 터빈(100)을 운전하고 있지 않은 상태를 나타내고 있다. 또, 제1 실시형태의 정지부 시일 구조(10)의 구성과 동일한 구성 부분에는 동일한 부호를 부여하고 중복되는 설명을 생략 또는 간략히 한다.
제2 실시형태의 정지부 시일 구조(11)에 있어서, 시일 핀(sealing fin)(70)을 구비하는 것 이외에는 제1 실시형태의 정지부 시일 구조(10)의 구성과 같다. 그 때문에, 여기에서는 이 다른 구성에 대하여 주로 설명한다. 또, 제2 실시형태에 있어서도 내부 케이싱(110)과 외부 케이싱(111) 사이에 설치된 정지부 시일 구조(10)를 예시해서 설명한다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 정지부 시일 구조(11)는 제1 실시형태의 정지부 시일 구조(10) 및 시일 핀(70)을 구비한다. 시일 핀(70)은 소위 접촉형 핀이며, 축 방향으로 정지부 시일 구조(10)와 인접해서 설치되어 있다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 외부 케이싱(111)의 내부 케이싱(110)에 대향하는 벽면(111a)에는 시일 핀(70)의 일부를 수용하는 수용 홈(60)이 둘레 방향에 걸쳐서 형성되어 있다. 시일 핀(70)은, 수용 홈(60)에 수용되는 폭광부(幅廣部)(71), 폭광부(71)로부터 내부 케이싱(110)측으로 연장되는 폭협부(幅狹部)(72), 및 폭협부(72)로부터 내부 케이싱(110)측으로 돌출하는 핀부(73)를 구비한다. 핀부(73)는 원환(圓環) 판 형상이며 축 방향으로 간격을 두고 복수 설치되어 있다.
수용 홈(60)은 시일 핀(70)의 폭광부(71)와 폭협부(72)에 대응해서 폭광부(61)와 폭협부(62)를 갖고 있다. 수용 홈(60)의 폭광부(61)에 시일 핀(70)의 폭광부(71)를 수용함으로써, 시일 핀(70)은 반지름 방향으로 이동 가능하며, 또한 수용 홈(60)으로부터 빠져나가지 않는다.
수용 홈(60)의 저부에는 탄성 부재(80)가 배치되어 있다. 탄성 부재(80)는 예를 들면 판스프링 등으로 구성된다. 시일 핀(70)은 탄성 부재(80)에 의하여 내부 케이싱(110)측에 압압(押壓)된다. 이에 따라, 핀부(73)의 선단은 대향하는 내부 케이싱(110)의 벽면(110b)에 밀어붙여져 있다.
내부 케이싱(110)에 있어서 핀부(73)가 대향하는 벽면(110b)을 갖는 부분은 벽면(110a)을 갖는 부분보다 외경이 크게 구성되어 있다. 즉, 도 8에 나타내는 단면에서는, 핀부(73)가 대향하는 벽면(110b)은 벽면(110a)보다 반지름 방향 외측으로 돌출되어 있다.
다음으로, 정지부 시일 구조(11)의 작용에 대하여 도 8∼도 10을 참조해서 설명한다.
도 9 및 도 10은 제2 실시형태의 정지부 시일 구조(11)의 종단면을 나타내는 도면이다. 여기에서, 도 9는 증기 터빈(100)이 운전되며 정지 부품간에 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생하여 시일 핀(70)이 시일 기능을 상실했을 때의 상태를 나타내고 있다. 도 10은 증기 터빈(100)이 운전되며 정지 부품간에 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생하여 시일 부재(40)가 시일 기능을 발휘하고 있는 상태를 나타내고 있다.
우선, 증기 터빈(100)을 운전하고 있지 않은 상태에 있어서의 정지부 시일 구조(11)에 대하여 설명한다. 정지부 시일 구조(10)에 있어서의 작용은 제1 실시형태에서 설명한 바와 같다.
한편, 시일 핀(70)의 핀부(73)의 선단은, 도 8에 나타내는 바와 같이, 내부 케이싱(110)의 벽면(110b)에 밀어붙여져 접해 있다. 즉, 이 상태에서는 시일 핀(70)의 핀부(73)가 시일 기능을 발휘하고 있다.
다음으로, 증기 터빈(100)이 운전되며 정지 부품간(여기에서는, 내부 케이싱(110)과 외부 케이싱(111) 사이)에 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생해 있지 않은 상태에 있어서의 정지부 시일 구조(11)에 대하여 설명한다.
이 상태에서는 도 8의 상태를 유지하고 있다. 즉, 시일 부재(40)의 외경측 단부(41)는 돌출부(26)로부터 축 방향으로 L3의 거리를 두고 삽입홈(20)에 삽입되어 있다. 시일 부재(40)의 내경측 단부(42)는 삽입홈(30)의 축 방향의 대략 중앙에 삽입되어 있다. 그리고, 시일 부재(40)는 내부 케이싱(110)과 외부 케이싱(111) 사이에서 연직으로 설치되어 있다. 그 때문에, 시일 부재(40)를 사이에 둔 공간의 압력(P1, P2)은 동등하다. 즉, 시일 부재(40)는 시일 기능을 발휘하고 있지 않다.
한편, 전술한 바와 같이, 시일 핀(70)의 핀부(73)의 선단은 내부 케이싱(110)의 벽면(110b)에 밀어붙여져 있기 때문에 시일 핀(70)이 시일 기능을 발휘하고 있다. 또, 시일 핀(70)을 사이에 둔 공간에 있어서는 압력 차(P1-P2)(여기에서는 P1>P2)가 발생해 있다.
다음으로, 증기 터빈(100)이 운전되며 정지 부품간에 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생해 있는 상태에 있어서의 정지부 시일 구조(11)에 대하여 설명한다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 정지 부품간에 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생해 있으면, 시일 핀(70)의 핀부(73)의 선단은 내부 케이싱(110)의 벽면(110b)으로부터 약간 떨어진다. 그 순간, 시일 부재(40)를 사이에 둔 공간에 압력 차(P1-P2)가 발생하여 시일 부재(40)의 양 단부(41, 42)의 우측면은 돌출부(26) 및 돌출부(36)에 밀어붙여진다. 이 상태는, 제1 실시형태에서 도 3을 참조하여 설명한 바와 같다. 시일 부재(40)는 고압측으로부터 저압측에의 증기의 누설을 억제하고 있다.
여기에서, 정지 부품간에 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생했을 때, 핀부(73)의 선단이 내부 케이싱(110)의 벽면(110b)으로부터 떨어지는 것은, 외부 케이싱(111)과 내부 케이싱(110)의 온도 차에 의해 반지름 방향의 열팽창량에 차가 발생하기 때문이다.
이렇게, 핀부(73)의 선단이 벽면(110b)으로부터 떨어진 순간에, 시일 부재(40)의 양 단부(41, 42)의 우측면은 돌출부(26) 및 돌출부(36)에 밀어붙여지기 때문에 고압측으로부터 저압측에의 증기의 누설을 보다 적게 할 수 있다.
한편, 시일 핀(70)의 핀부(73)의 선단은 벽면(110b)으로부터 떨어지기 때문에 시일 핀(70)에 의한 시일 기능은 상실된다.
이 상태에서 증기 터빈(100)의 정격운전에 맞춘 운전이 이루어지면, 정지 부품간에 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 더 발생한다. 그리고, 도 10에 나타내는 바와 같이, 시일 부재(40)는, 제1 실시형태에서 도 4를 참조하여 설명한 바와 같은 작용을 받아, 시일 부재(40)는 내부 케이싱(110)과 외부 케이싱(111) 사이에서 연직으로 된다.
이 상태에 있어서, 시일 부재(40)의 양 단부(41, 42)의 우측면은 연직 평면인 돌출부(26)의 볼록면(26b) 및 돌출부(36)의 볼록면(36b)에 면 접촉한다. 그 때문에, 고압측으로부터 저압측에의 증기의 누설을 확실하게 억제할 수 있다. 여기에서, 도 4에 나타낸 상태는, 예를 들면 증기 터빈(100)의 정격운전 시에 실현된다.
상기한 바와 같이, 제2 실시형태의 정지부 시일 구조(11)에 따르면, 시일 핀(70)을 병설함으로써, 정지 부품간에 있어서 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생해 있는 경우에 있어서도, 정지부 시일 구조(11)를 통한 고압측으로부터 저압측에의 증기의 누설량을 보다 적게 할 수 있다.
이상 설명한 실시형태에 따르면, 서로 다른 압력의 공간을 칸막이하여 터빈 로터 축 방향, 반지름 방향의 위치 어긋남에 대해서도 증기의 누설을 억제하는 것이 가능해진다.
본 발명의 몇 가지 실시형태를 설명했지만, 이 실시형태들은 예로서 제시한 것이며 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이 신규인 실시형태들은 그 외의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이 실시형태들이나 그 변형은 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.
Claims (8)
- 제1 정지(靜止) 부품의 내측에 제2 정지 부품이 설치된 2중 구조로 구성되고, 상기 제1 정지 부품의 내면과 제2 정지 부품의 외면 사이에 설치되며, 서로 다른 압력의 공간을 칸막이하는 정지부 시일 구조로서,
상기 제1 정지 부품의 상기 제2 정지 부품에 대향하는 벽면에 둘레 방향에 걸쳐서 고리 형상으로 형성되며, 제1 홈부 및 상기 제1 홈부의 개구부를 좁히도록 상기 제1 홈부의 양 측면으로부터 각각 돌출한 한 쌍의 제1 돌출부를 갖는 제1 삽입홈과,
상기 제2 정지 부품의 상기 제1 삽입홈에 대향하는 벽면에 둘레 방향에 걸쳐서 고리 형상으로 형성되며, 제2 홈부 및 상기 제2 홈부의 개구부를 좁히도록 상기 제2 홈부의 양 측면으로부터 각각 돌출한 한 쌍의 제2 돌출부를 갖는 제2 삽입홈과,
상기 제1 삽입홈에 외경측 단부가 삽입되며, 상기 제2 삽입홈에 내경측 단부가 삽입된 평판 고리 형상의 시일 부재
를 구비하고,
상기 시일 부재로 칸막이하는 공간의 압력 차에 의해서, 상기 시일 부재가 상기 한 쌍의 제1 돌출부에 있어서의 한쪽의 상기 제1 돌출부 및 상기 한 쌍의 제2 돌출부에 있어서의 한쪽의 상기 제2 돌출부에만 밀어붙여 접촉하도록 하고,
상기 한 쌍의 제1 돌출부 간의 개구 거리 및 상기 한 쌍의 제2 돌출부 간의 개구 거리 중, 어느 한쪽의 개구 거리가 다른 쪽의 개구 거리보다 길게 하고,
상기 제1 정지 부품과 상기 제2 정지 부품 사이에 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생했을 때, 상기 한쪽의 제1 돌출부 및 상기 한쪽의 제2 돌출부에 상기 시일 부재의 상기 양 단부가 면 접촉하는 것을 특징으로 하는 정지부 시일 구조. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 돌출부 및 상기 제2 돌출부의 모서리부가, 둥근 면으로 모따기되어 있는 것을 특징으로 하는 정지부 시일 구조. - 제1항에 있어서,
상기 제1 돌출부 및 상기 제2 돌출부의 모서리부가, 각진 면으로 모따기되어 있는 것을 특징으로 하는 정지부 시일 구조. - 제1항에 있어서,
상기 제1 정지 부품과 상기 제2 정지 부품 사이에 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생해 있지 않은 상태에서는, 상기 시일 부재가 경사져서, 상기 양 단부가 상기 한쪽의 제1 돌출부 및 상기 한쪽의 제2 돌출부에 밀어붙여지고, 또한 상기 양 단부가 상기 제1 돌출부의 다른 쪽 및 상기 제2 돌출부의 다른 쪽에 접촉하지 않는 형상인 것을 특징으로 하는 정지부 시일 구조. - 제1항에 있어서,
상기 제1 정지 부품이 증기 터빈의 내부 케이싱이고, 상기 제2 정지 부품이 상기 증기 터빈의 외부 케이싱이며, 상기 정지부 시일 구조는 상기 내부 케이싱과 상기 외부 케이싱 사이의 서로 다른 압력 공간을 칸막이하는 시일 부재인 것을 특징으로 하는 정지부 시일 구조. - 제1항에 있어서,
상기 제1 정지 부품에, 상기 제2 정지 부품측으로 연장 설치되며, 상기 제2 정지 부품에 선단이 맞닿는 시일 핀을 더 구비하고,
상기 제1 정지 부품과 상기 제2 정지 부품 사이에 열신장 차에 따른 위치 어긋남이 발생했을 때, 상기 시일 핀이 상기 제2 정지 부품에 맞닿아 있지 않은 것을 특징으로 하는 정지부 시일 구조.
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JP2014227987A (ja) | 2014-12-08 |
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