KR101723287B1 - 밸런스 챔버를 획정하는 밸브 포핏 요소 - Google Patents

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Abstract

밸브의 포핏 요소가 제공된다. 포핏 요소는 밸브의 밸브 시트에 대해 이동 가능하고, 밸브 시트에 대해 부분적으로 고정된 중앙 본체와 함께 밸런스 챔버를 획정하는 밸런스 챔버벽, 상부 헤드, 상부 헤드의 열팽창 계수(CTE)에 상응하는 열팽창 계수를 갖는 밸런스 챔버 홀더, 및 밸런스 챔버 홀더를 상부 헤드에 고정시키도록 배치된 체결 요소를 포함한다. 밸런스 챔버 홀더는 중앙 본체와 밸런스 챔버벽 사이에 배치되고 밸런스 챔버벽으로부터 체결 요소로의 열 부하 전달을 방지하도록 구성된다.

Description

밸런스 챔버를 획정하는 밸브 포핏 요소 {VALVE POPPET ELEMENT DEFINING BALANCE CHAMBER}
본 명세서에 개시된 요지는 밸브의 포핏 요소(poppet element)에 의해 형성된 밸런스 챔버(balance chamber)에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 고온 밸브의 포핏 요소에 의해 형성된 밸런스 챔버에 관한 것이다.
증기 터빈 제어 밸브 및 정지 밸브는 종종 밸런스 챔버를 이용한다. 밸브 개방 발생 중에, 밸런스 챔버 내부의 증기는 이퀄라이저 밸브(equalizer valve) 또는 포핏 밸브를 통해 배기되어(evacuated) 밸런스 챔버 내부의 압력이 감소되고 더 적은 유압력이 밸브를 개방하도록 요구되게 된다.
밸런스 챔버 내부의 압력이 최소화되는 것을 보장하기 위해, 밸브 디스크와 밸런스 챔버의 벽 사이의 간극(clearance)은 종종 고품질 밀봉 특성을 제공하는 데 사용된 밀봉링으로 가능한 한 감소된다. 그러나, 밸브가 재밍(jamming) 없이 개방하고 폐쇄하는 것을 보장하기 위해 소정의 사전 규정된 양의 간극이 유지될 필요가 있기 때문에 간극 감소는 제한된다.
특정 용례에서, 밸런스 챔버는 볼트를 통해 상부 헤드에 고정될 수도 있고, 몇몇 경우에, 밸런스 챔버 재료는 상부 헤드 재료와는 상이하다. 상이한 재료들은 그에 상응하게 상이한 열팽창 계수(CTE)를 갖고, 따라서 상부 헤드와 밸런스 챔버는 열이 발생될 때(즉, 증기 터빈이 시동될 때) 상이한 비율로 팽창한다. 정상 상태에서, CTE의 차이에 기인하여, 굽힘 응력이 볼트 상에 부여되고, 이 굽힘 응력은 전단 응력을 통해 상부 헤드에 전달된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 밸브의 포핏 요소가 제공된다. 포핏 요소는 밸브의 밸브 시트에 대해 이동 가능하며, 밸브 시트에 대해 부분적으로 고정된 중앙 본체와 함께 밸런스 챔버를 획정하는 밸런스 챔버벽, 상부 헤드, 상부 헤드의 열팽창 계수(CTE)에 상응하는 열팽창 계수를 갖는 밸런스 챔버 홀더, 및 이 밸런스 챔버 홀더를 상부 헤드에 고정시도록 배치된 체결 요소를 포함한다. 밸런스 챔버 홀더는 중앙 본체와 밸런스 챔버벽 사이에 배치되고 밸런스 챔버벽으로부터 체결 요소로의 열 부하 전달을 방지하도록 구성된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 밸브 시트에 대해 이동 가능한 포핏 요소을 포함하는 발전소 밸브가 제공된다. 포핏 요소는 밸브 시트에 대해 부분적으로 고정된 중앙 본체와 함께 밸런스 챔버를 획정하는 밸런스 챔버벽, 상부 헤드, 상부 헤드의 열팽창 계수(CTE)에 상응하는 열팽창 계수를 갖는 밸런스 챔버 홀더, 및 이 밸런스 챔버 홀더를 상부 헤드에 고정시키도록 배치된 체결 요소를 포함한다. 밸런스 챔버 홀더는 중앙 본체와 밸런스 챔버벽 사이에 배치되고 밸런스 챔버벽으로부터 체결 요소로의 열 부하 전달을 방지하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 발전소가 제공된다. 발전소는 보일러 요소, 증기 터빈, 보일러 요소로부터 증기 터빈을 향해 증기를 운반하도록 배치된 파이핑, 및 이 파이핑을 따라 배치된 밸브를 포함한다. 밸브는 밸브 시트와, 밸브를 개방 또는 폐쇄하도록 밸브 시트에 대해 이동 가능한 포핏 요소를 포함한다. 포핏 요소는 밸브 시트에 대해 부분적으로 고정된 중앙 본체와 함께 밸런스 챔버를 획정하는 밸런스 챔버벽, 상부 헤드, 상부 헤드의 열팽창 계수(CTE)에 상응하는 열팽창 계수를 갖는 밸런스 챔버 홀더, 및 이 밸런스 챔버 홀더를 상부 헤드에 체결하도록 배치된 체결 요소를 포함한다. 밸런스 챔버 홀더는 중앙 본체와 밸런스 챔버벽 사이에 배치되고 밸런스 챔버벽으로부터 체결 요소로의 열 부하 전달을 방지하도록 구성된다.
이들 및 다른 장점 및 특징은 도면과 함께 취한 이하의 설명으로부터 더 명백해질 것이다.
본 발명으로서 간주되는 요지는 명세서의 종결부에 있는 청구범위에 특히 지적되고 명백하게 청구된다. 본 발명의 상기 및 다른 특징들 및 장점들은 첨부 도면과 함께 취한 이하의 상세한 설명으로부터 명백하다.
도 1은 증기 터빈의 부분의 개략도.
도 2는 실시예에 따른 도 1의 증기 터빈과 함께 사용을 위한 밸런스 챔버의 개략 측면도.
상세한 설명은 도면을 참조하여 예로서, 본 발명의 실시예들을 장점 및 특징과 함께 설명한다.
밸런스 챔버 볼트는 전단 응력을 통해 상부 헤드에 전달될 수도 있는 굽힘 응력을 받게 될 수도 있지만, 증기 터빈의 밸런스 챔버 내에서 굽힘 응력은 특정 상황에 허용 가능한 파라미터 내에 있을 수 있다. 그러나, 증기 터빈은 고온 영역[예를 들어, 1150℉(621.1℃)] 내에서 작동을 위해 설계되기 때문에, 굽힘 응력은, 설계 요건, 제조성 및 비용에 의해 어쩔 수 없이 야기되는 상부 헤드와 밸런스 챔버에 대한 상이한 재료의 사용에 의해 유발될 수도 있는 상부 헤드와 밸런스 챔버의 열팽창 계수(CTE) 간의 차이에 기인한 손상을 방지하는 데에 재료의 업그레이드가 충분하지 못할 정도만큼 허용 가능한 파라미터를 초과할 수도 있다.
따라서, 도 1 및 도 2를 참조하면, 밸런스 챔버(10)가 발전소(20)에서 또는 다른 유사한 용례에서 사용을 위해 제공된다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 발전소(20)는 가열된 유체가 그 내로 유도되는 내부(22)를 획정하도록 형성되는 보일러 요소(21)를 포함한다. 이 가열된 유체는 예를 들어 보일러 요소(21)가 가스 터빈 엔진의 터빈 섹션으로부터 하류측에 배치된 열 회수 증기 발생기로서 제공되어 있는 가스 터빈 배기부를 포함할 수도 있다.
발전소(20)는 보일러 요소(21)의 고압(high pressure: HP) 섹션(210)에 배치된 HP 파이핑(23), 보일러 요소(21)의 중간압(intermediate pressure: IP) 섹션(211)에 배치된 IP 파이핑(24) 및 보일러 요소(21)의 저압(low pressure: LP) 섹션(212)에 배치된 LP 파이핑(25)을 더 포함한다. HP 파이핑(23), IP 파이핑(24) 및 LP 파이핑(25)은 내부(22)를 관통하고, 가열된 유체에 의해 가열되는 유체를 운반하여 증기를 생성한다. 이 증기는 이어서 HP 파이핑(23), IP 파이핑(24) 및 LP 파이핑(25)에 의해 증기 터빈(26)을 향해 반송되고, 여기서 증기의 열에너지가 전력 또는 전기를 발생하는 데 사용될 수 있는 기계적 에너지로 변환된다.
밸런스 챔버(10)는 IP 파이핑(24)과 증기 터빈(26) 사이에 작동적으로 배치된 조합형 밸브(30)의 구성 요소로서 제공될 수도 있다. 실시예에 따르면, 조합형 밸브(30)(메인 정지 및 제어 밸브로서 알려져 있음)에 유사한 밸브가 또한 HP 파이핑(23)과 증기 터빈(26) 사이에 작동적으로 배치될 수도 있다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 조합형 밸브(30)는 HP 파이핑(23) 또는 IP 파이핑(24)에 유동식으로 결합될 수도 있는 입구 파이프(31)와, 증기 터빈(26)의 HP 또는 IP 섹션에 유동식으로 결합될 수도 있는 출구 파이프(32)와, 입구 파이프(31)와 출구 파이프(32) 사이에 개재된 밸브 조립체(33)를 포함한다. 밸브 조립체(33)는, 밸브 시트(34), 중앙 본체(35), 및 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동하고 그 위치를 점유하도록 밸브 시트(34)에 대해 상대적으로 중앙 본체(35)를 따라 이동 가능한 포핏 요소(36)를 포함한다. 제1 위치에서, 포핏 요소(36)는 밸브 시트(34)로부터 변위되고, 유체 유동이 입구 파이프(31)로부터 출구 파이프(32)로 진행하는 것이 허용된다. 제2 위치에서, 포핏 요소(36)는 밸브 시트(34)에 접촉하고, 입구 파이프(31)로부터 출구 파이프(32)로의 유체 유동이 방지된다.
중앙 본체(35)는 상부 헤드 부싱이라 칭할 수도 있고 밸브 시트(34)에 대해 적소에 고정되는 메인 부재(352)와, 밸브 스템이라 칭할 수도 있고 포핏 요소(36)와 함께 이동 가능하여 중앙 본체(35) 전체가 밸브 시트(34)에 대해 부분적으로 고정되게 하는 가동 부재(351)를 포함한다. 메인 부재(352)는 관형 부재(353) 및 관형 부재(353)로부터 반경방향 외향으로 연장하는 내부 플랜지(354)를 포함한다. 포핏 요소(36)는 상부 헤드(361), 밸런스 챔버벽(362), 밸브 디스크(363) 및 밸런스 챔버 홀더(364)를 포함한다. 밸런스 챔버벽(362)은 밸런스 챔버(10) 내에 환형부(annulus)(37)를 형성하도록 중앙 본체(35)에 대해 배치된 환형 부재일 수도 있다. 밸브 디스크(363)의 상부 부분은, 체결 부재(38) 및 밀봉 요소(39)를 통해 밸런스 챔버벽(362)과 헐거운 끼워맞춤(clearance fit)된다. 간극은 밸브 디스크(363)가 밸런스 챔버벽(362) 내에서 비교적 원활하게 이동 개방 또는 폐쇄될 수 있도록 제공된다. 밸브 디스크(363)의 하부 부분은 포핏 요소(36)가 제2 위치를 점유할 때 밸브 시트(34)와 정합하도록 성형된다.
밸런스 챔버벽(362)의 상부 부분은 밸런스 챔버벽(362)으로부터 반경방향 내향으로 연장하는 외부 플랜지(365)를 포함한다. 실시예들에 따르면, 내부 플랜지(354)는 축방향 지향면(40) 및 반경방향 지향면(41)을 포함하고, 외부 플랜지(365)는 축방향 지향면(42) 및 반경방향 지향면(43)을 포함한다. 축방향 지향면(40, 42)은 실질적으로 동일 평면상에 있을 수도 있는 반면, 반경방향 지향면(41, 43)은 실질적으로 서로 평행할 수도 있다. 외부 플랜지(365)는 밸런스 챔버벽(362)의 축방향 면의 평면을 넘어 축방향으로 돌출하는 축방향 돌출부(366)를 또한 포함할 수도 있다. 내부 플랜지(354)는 축방향 돌출부(366)를 넘어 축방향으로 연장할 수도 있다.
밸런스 챔버벽(364)은 체결 요소(50)에 의해 상부 헤드(361)에 부착되고, 하부 부분(60) 및 상부 부분(61)을 포함한다. 하부 부분(60) 및 상부 부분(61)은 서로 일체로 형성될 수도 있거나, 대안 실시예들에 따르면, 체결 요소(50)에 의해 함께 체결된 개별 부분으로서 형성될 수도 있다. 체결 요소(50)는 설계된 예비 응력으로 토크를 받을 수도 있고, 상부 헤드(361) 내에 또는 상에 제공된 나사산과 정합하도록 밸런스 챔버 홀더(364)를 통해 연장하는 나사 형성 볼트 및 헤드부를 포함할 수도 있다. 헤드부는 밸런스 챔버 홀더(364)의 하부면과 간섭하여 체결 요소(50)의 그 종축을 중심으로 한 회전이 조임 방향에서 상부 헤드(361)를 향해 헤드부 및 밸런스 챔버 홀더(364)를 끌어당기게 된다. 실시예들에 따르면, 간극(C)이 상부 헤드(361)의 하부면과 상부 부분(61)의 상부면 사이에 제공된다.
체결 요소(50)는 복수의 체결 요소(50)로서 제공될 수도 있고, 환형 어레이로 중앙 본체(35) 주위에 배열될 수도 있다.
하부 부분(60)은 내부 축방향 지향면(600) 및 외부 축방향 지향면(601)을 포함하고, 상부 부분(61)은 내부 반경방향 지향면(610) 및 외부 반경방향 지향면(611)을 포함한다. 밸런스 챔버 홀더(364)는 하부 부분(60)이 밸런스 챔버벽(362) 및 관형 부재(353)의 대응 부분들 사이에 배치되도록 그리고 상부 부분(61)이 외부 플랜지(365) 및 내부 플랜지(354)의 대응 부분들 사이에 배치되도록 배치 가능하다. 이 위치에서, 내부 축방향 지향면(600)은 내부 플랜지(354)의 축방향 지향면(40)에 맞대어져 간섭할 수도 있고, 외부 축방향 지향면(601)은 외부 플랜지(365)의 축방향 지향면(42)에 맞대어져 간섭할 수도 있다. 마찬가지로, 내부 반경방향 지향면(610)은 내부 플랜지(354)의 반경방향 지향면(41)에 맞대어져 정합할 수도 있고, 외부 반경방향 지향면(611)은 외부 플랜지(365)의 반경방향 지향면(43)에 맞대어져 정합할 수도 있다.
실시예들에 따르면, 밸런스 챔버 홀더(364)는 상부 헤드(361) 재료의 CTE에 유사하거나 일치하는 CTE를 갖는 재료로 제조될 수도 있다. 예로서, 밸런스 챔버 홀더(364)는 단조된 12 크롬 재료로 제조될 수도 있다.
전술된 구성에 의해, 체결 요소(50)는 상부 헤드(361) 및 밸런스 챔버 홀더(364)를 통해 연장하고, 상부 헤드(361)와 밸런스 챔버 홀더(364)는 유사한 CTE를 가져 상부 헤드(361)와 밸런스 챔버 홀더(364)가 유사한 비율로 열팽창 및 수축하게 된다. 이와 같이, 체결 요소(50) 상의 굽힘 응력은 제한되거나 감소될 수 있는 동시에, 상부 헤드(361) 상의 전단 응력도 마찬가지로 제한되거나 감소될 수도 있다. 또한, 상부 헤드(361)의 하부면과 상부 부분(61)의 상부면 사이에 제공된 간극(C)에 의해, 변화되는 작동 조건 중에 상부 헤드(361)와 밸런스 챔버 홀더(364) 사이에 접촉 압력이 실질적으로 제한되거나 존재하지 않는다. 이는 체결 요소(50)의 토크에 기인하여, 외부 플랜지(365)와 상부 헤드(361) 사이에 높은 접촉 응력이 존재하고, 이에 의해 밸런스 챔버(10)와 상부 헤드(361) 사이의 증기 누설의 방지를 제공하고, 이에 의해 밸런스 챔버(10)와 상부 헤드(361) 사이의 증기 누설의 방지를 제공하는 것을 보장한다.
게다가, 밸런스 챔버 홀더(364)의 하부 부분(60)은 예를 들어, 시동 및 셧다운 작동 중에 열팽창 및 수축하기 위한 공간을 구비한다. 즉, 시동 및 셧다운 작동 또는 다른 변화되는 작동 조건 중에, 밸런스 챔버 홀더(364)의 하부 부분(60)은 반경방향 외향으로 팽창하거나 반경방향 내향으로 수축할 수도 있지만, 어느 경우든, 내부 축방향 지향면(600)은 내부 플랜지(354)의 축방향 지향면(40)에 계속 맞대어져 간섭하고, 반면에 외부 축방향 지향면(601)은 외부 플랜지(365)의 축방향 지향면(42)에 계속 맞대어져 간섭한다. 따라서 밸런스 챔버 홀더(364)의 부분들의 열팽창 및 수축은 체결 요소(50) 또는 상부 헤드(361) 상의 열 부하의 전달 없이 진행될 수 있다.
본 발명이 단지 제한된 수의 실시예들과 관련하여 상세히 설명되었지만, 본 발명은 이러한 개시된 실시예들에 한정되는 것은 아니라는 것이 즉시 이해되어야 한다. 오히려, 본 발명은 지금까지 설명되지 않았지만 본 발명의 사상 및 범주와 같은 정도인 임의의 수의 변형, 변경, 치환 또는 등가의 장치를 구비하도록 변형될 수 있다. 부가적으로, 본 발명의 다양한 실시예가 설명되었지만, 본 발명의 양태들은 설명된 실시예들의 단지 일부만을 포함할 수도 있다. 이에 따라, 본 발명은 상기 설명에 의해 한정되는 것으로서 보여져서는 안되고, 단지 첨부된 청구범위의 범주에 의해서만 한정된다.
10: 밸런스 챔버 20: 발전소
21: 보일러 요소 210: HP 섹션
211: IP 섹션 212: LP 섹션
22: 내부 23: HP 파이핑
24: IP 파이핑 25: LP 파이핑
26: 증기 터빈 30: 조합된 밸브
31: 입구 파이프 32: 출구 파이프
33: 밸브 조립체 34: 밸브 시트
35: 중앙 본체 351: 가동 부재
352: 메인 부재 353: 관형 부재
354: 내부 플랜지 36: 포핏 요소
361: 상부 헤드 362: 밸런스 챔버벽
363: 밸브 디스크 364: 밸런스 챔버 홀더
365: 외부 플랜지 366: 축방향 돌출부
37: 환형부 38: 체결 부재
39: 밀봉 요소 40: 축방향 지향면
41: 반경방향 지향면 42: 축방향 지향면
43: 반경방향 지향면 50: 체결 요소
60: 하부 부분 600: 내부 축방향 지향면
601: 외부 축방향 지향면 61: 상부 부분
610: 내부 반경방향 지향면 611: 외부 반경방향 지향면

Claims (10)

  1. 조합형 밸브(30)의 밸브 시트(34)에 대해 이동 가능한 조합형 밸브(30)의 포핏 요소(36)로서,
    상기 밸브 시트(34)에 대해 부분적으로 고정된 중앙 본체(35)와 함께 밸런스 챔버(10)를 획정하는 밸런스 챔버벽(362);
    상부 헤드(361);
    상기 상부 헤드(361)의 열팽창 계수(CTE)에 상응하는 열팽창 계수를 갖는 밸런스 챔버 홀더(364); 및
    상기 밸런스 챔버 홀더(364)를 상기 상부 헤드(361)에 고정시키도록 배치된 체결 요소(50)
    를 포함하며, 상기 밸런스 챔버 홀더(364)는 상기 중앙 본체(35)와 상기 밸런스 챔버벽(362) 사이에 배치되고 상기 밸런스 챔버벽(362)으로부터 상기 체결 요소(50)로의 열 부하 전달을 방지하도록 구성되는 것인 포핏 요소(36).
  2. 제1항에 있어서, 상기 밸런스 챔버 홀더(364)는 단조된 12 크롬 재료를 포함하는 것인 포핏 요소(36).
  3. 제1항에 있어서, 상기 상부 헤드(361)와 상기 밸런스 챔버 홀더(364) 사이에는 간극이 제공되어 있는 것인 포핏 요소(36).
  4. 제1항에 있어서, 상기 밸런스 챔버벽(362)은 외부 플랜지(365)를 포함하고, 상기 밸런스 챔버 홀더(364)는 변화되는 작동 조건 중에 상기 외부 플랜지(365)에 맞대어져 간섭하는 하부 부분(60)을 포함하는 것인 포핏 요소(36).
  5. 제1항에 있어서, 상기 밸런스 챔버벽(362)은 외부 플랜지(365)를 포함하고, 상기 밸런스 챔버 홀더(364)는 열팽창 또는 열수축하더라도 상기 외부 플랜지(365)에 맞대어져 간섭하는 하부 부분(60)을 포함하는 것인 포핏 요소(36).
  6. 밸브 시트(34)에 대해 이동 가능한 포핏 요소(36)를 포함하는, 발전소(20)를 위한 조합형 밸브(30)로서, 상기 포핏 요소(36)는
    상기 밸브 시트(34)에 대해 부분적으로 고정된 중앙 본체(35)와 함께 밸런스 챔버(10)를 획정하는 밸런스 챔버벽(362);
    상부 헤드(361);
    상기 상부 헤드(361)의 열팽창 계수(CTE)에 상응하는 열팽창 계수를 갖는 밸런스 챔버 홀더(364); 및
    상기 밸런스 챔버 홀더(364)를 상기 상부 헤드(361)에 고정시키도록 배치된 체결 요소(50)
    를 포함하고, 상기 밸런스 챔버 홀더(364)는 상기 중앙 본체(35)와 상기 밸런스 챔버벽(362) 사이에 배치되고 상기 밸런스 챔버벽(362)으로부터 상기 체결 요소(50)로의 열 부하 전달을 방지하도록 구성되는 것인 조합형 밸브.
  7. 제6항에 있어서, 상기 밸런스 챔버 홀더(364)는 단조된 12 크롬 재료를 포함하는 것인 조합형 밸브.
  8. 제6항에 있어서, 상기 상부 헤드(361)와 상기 밸런스 챔버 홀더(364) 사이에는 간극이 제공되어 있는 것인 조합형 밸브.
  9. 제6항에 있어서, 상기 밸런스 챔버벽(362)은 외부 플랜지(365)를 포함하고, 상기 밸런스 챔버 홀더(364)는 변화되는 작동 조건 중에 상기 외부 플랜지(365)에 맞대어져 간섭하는 하부 부분(60)을 포함하는 것인 조합형 밸브.
  10. 제6항에 있어서, 상기 밸런스 챔버벽(362)은 외부 플랜지(365)를 포함하고, 상기 밸런스 챔버 홀더(364)는 열팽창 또는 열수축하더라도 상기 외부 플랜지(365)에 맞대어져 간섭하는 하부 부분(60)을 포함하는 것인 조합형 밸브.
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