KR101902721B1 - 단일 샤프트 배열체를 위한 유입구 윤곽 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동 기술적으로 유입구 연결 부재(9)에 연결된 환형 유입 덕트(3)를 가지는 증기 터빈에 관한 것이고, 유입구 연결 부재(9)는 도입하는 유동이 먼저 늦춰지고, 후속하여 가속되며 동시에 편향되는 방식으로 설계된다.

Description

단일 샤프트 배열체를 위한 유입구 윤곽{INFLOW CONTOUR FOR A SINGLE-SHAFT ARRANGEMENT}

본 발명은 회전축을 중심으로 회전가능하게 장착된 회전자, 회전자를 중심으로 배열된 하우징, 그리고 회전자와 하우징 사이에 형성된 유동 덕트를 포함하며, 환형 유입 덕트로 열려지고 유입구 연결 부재를 가지는 유입 영역을 추가로 포함하는 터보기계에 관한 것이고, 환형 유입 덕트는 실질적으로 환형 덕트 단면을 가지고 유동 덕트에 유동 기술적으로 연결되며, 환형 유입 덕트는 회전축을 중심으로 형성되고, 유입구 연결 부재는 작동 중 유동 방향에서 유동 매체가 유동하는 유입구 단면을 가진다.

또한 본 발명은 환형 유입 덕트에 유입구 연결 부재를 연결하기 위한 방법에 관한 것이다.

증기 터빈은 실질적으로, 회전축을 중심으로 회전가능하게 장착되고 회전자 블레이드를 포함하는 회전자와 또한 가이드 베인을 갖도록 형성된 하우징을 포함하고, 유동 덕트는 회전자와 하우징 사이에서 형성되며 가이드 베인과 회전자 블레이드를 포함한다. 증기의 열 에너지는 회전자의 기계적 에너지로 변환된다. 다양한 분할 터빈이 알려져있고, 예로서 이들은 고압, 중간압 및/또는 저압 분할 터빈으로 구분된다. 분할 터빈의 고압, 중간압 및 저압 부분으로의 구분은 전문가들 사이에서 획일적으로 정의되어 있지 않다. 이러한 구분은 어떤 경우든 필수적으로 유입 및 유출 증기의 온도와 압력에 의존한다.

또한, 고압 부분 및 중간압 부분이 공통 외부 하우징에 배열된 실시예가 알려져있다. 이 종류의 실시예는 서로의 옆에 밀착하여 배열된 두 유입 영역을 필요로한다. 이 경우, 축방향 공간이 제한되기 때문에, 회전자-동적 양태를 위하여 고압 유입구 및 중간압 유입구가 서로에 대해 밀착하여 놓이는 것이 필수적이다. 또한, 고압 유입 영역과 중간압 유입 영역이 서로 옆에 밀착하여 배열되는 경우 이는 더욱 비용효율적이다.

또한, 밸브를 통해 유동 덕트에 증기를 급송하는 것이 알려져있다. 이 경우, 증기가 고속 작용 차단 밸브 및 제어 밸브를 통해 유동하고 후속하여 유입 영역으로 유동하고, 그리고 거기로부터 환형 덕트로 유동한다. 환형 덕트는 회전축을 중심으로 실질적으로 회전 대칭적인 형태를 가진다. 환형 덕트에서의 증기의 속도는 가능한 한 균일하고 낮아야한다. 2개 밸브 배열, 즉 증기가 두 개의 밸브를 통해서 유동하고 그러므로 두 개의 유입 영역을 통해 유입 덕트로 유동하는 경우, 환형 덕트에서의 유동 상태는 1개 밸브 배열의 경우에서의 유동 상태와 다르다. 1개 밸브 배열의 경우, 증기는 단지 하나의 유입 영역을 통해 환형 덕트로 유동한다. 1개 밸브 배열의 경우 환형 덕트의 단면은 일반적으로 2개 밸브 배열의 경우의 환형 덕트의 단면보다 크다. 이러한 구성은 실질적으로 유동 속도가 낮은 수준에서 유지되게 하기 위해 이행된다.

반경 방향에서의 환형 덕트의 크기를 증가시키는 것이 가능할 수도 있지만, 이는 내부 하우징의 내부 압력에 의해 유발되는 응력을 증가시킨다. 다른 한편으로, 벽 두께의 증가는 응력 감소를 초래할 수 있고, 이는 차례로 온도-유발 응력에서의 증가를 초래할 수 있다. 이러한 두 개의 설계 콘셉트는 최적화될 필요가 있다.

본 발명의 목적은 개선된 유동 상태를 초래하는 유입 영역을 특정하는 것이다.

이러한 목적은 회전축을 중심으로 회전가능하게 장착된 회전자, 회전자를 중심으로 배열된 하우징, 그리고 회전자와 하우징 사이에 형성된 유동 덕트를 포함하며, 환형 유입 덕트로 열려지고 유입구 연결 부재를 가지는 유입 영역을 추가로 포함하는 증기 터빈에 의해 달성되고, 환형 유입 덕트는 실질적으로 환형 덕트 단면을 가지고 유동 덕트에 유동 기술적으로 연결되며, 환형 유입 덕트는 회전축을 중심으로 형성되고, 유입구 연결 부재는 작동 중 유동 방향에서 유동 매체가 유동하는 유입구 단면을 가지고, 이 단면은 유동 방향에서 최대 단면까지 증가하고 후속하여 환형 덕트 단면까지 감소하고, 최대 단면(A2)과 유입구 단면(A1) 사이의 비율은 다음과 같다:
1.1<A2/A1<1.7

그러므로 본 발명은 유입 영역에서의 유동 속도를 변형시키는 접근법을 추구하고, 이는 유입 영역의 기하학적인 변화에 의해 이행된다. 이 경우, 실질적으로 유입구 연결 부재 및 환형 덕트 사이의 단면의 연결부가 변형되고, 이 단면은 환형 덕트 단면을 초과하여 증가되며, 유동이 감속된 후에, 비록 다른 방향이더라도, 재개된 가속이 달성된다.

종속 청구항들은 유리한 개선을 특정한다.

삭제

최적화 테스트와 유동 모델 덕분에, 전술된 관계가 최적 유동을 초래한다는 것을 판정하는 것이 가능하다.

또한, 하나의 유리한 실시예에서, 이하의 관계

0.7<A3/A1<1.0가 나타나고,

여기서 A3은 환형 덕트 단면을 표시한다.

또한, 여기서 전술된 값을 가지는 최적 유입류는 모델과 계산에 의해 판정된다.

본 발명의 전술된 속성, 특성 및 이점과 또한 이들이 달성되는 방식은 후속하는 예시적인 실시예의 설명과 함께 명확해지고 더욱 이해가능해질 것이며, 이는 도면과 함께 더욱 상세하게 설명될 것이다.

본 발명의 예시적인 실시예는 도면을 참조로 아래에서 설명될 것이다. 상기 도면은 예시적 실시예를 표준적인 방식으로 예시하기를 의도하지는 않고, 설명에 편리한 경우 개략적이고 및/또는 약간 왜곡된 형태로 도시되어 있다. 도면에서 직접 식별 가능한 교시 내용에 대한 추가 내용에 관하여서는, 관련 종래 기술을 참조한다.

도 1은 유입 영역의 개략적 단면도를 도시한다.
도 2는 도 1으로부터의 II-II 섹션을 도시한다.
도 3은 도 1으로부터의 III-III 섹션을 도시한다.
도 4는 대안적인 실시예에서 도 1으로부터의 III-III 섹션을 도시한다.
도 5는 대안적인 실시예에서 도 1으로부터의 III-III 섹션을 도시한다.
도 6은 종래의 기술에 따라 유동 상태의 개략도를 도시한다
도 7은 본 발명에 따라 유동 상태의 개략도를 도시한다.

도 1은 증기 터빈의 유입 영역(1)의 단면도를 도시한다. 증기 터빈은 도 1에서 더 상세하게는 도시되어 있지 않다. 증기 터빈은 실질적으로 회전축(2)을 중심으로 회전가능하게 장착된, 회전가능하게 장착된 회전자를 포함한다. 하우징, 예컨대 내부 하우징은 회전자를 중심으로 배열된다.

추가적인 하우징, 예컨대 외부 하우징은 내부 하우징을 중심으로 배열될 수 있다. 유동 덕트(미도시)는 회전자와 하우징 사이에서 형성된다. 회전자는 그 표면에 복수의 회전자 블레이드를 포함한다. 내부 하우징은 그 내부 표면에 복수의 가이드 베인을 가진다. 그러므로 유동 덕트는 가이드 베인과 회전자 블레이드에 의해 형성되고, 증기의 열 에너지는 작동 중 회전자의 회전 에너지로 변환된다. 도 1은 이제 증기 터빈의 유입 영역을 도시하고, 유동 덕트는 회전축의 방향으로 유도된다. 유입 영역(1)은 환형 유입 덕트(3)를 포함한다. 환형 유입 덕트는 회전축(2)에 대해 실질적으로 회전대칭적인 형태를 가지고 외부 경계(4)를 가진다. 이러한 외부 경계(4)는 적어도 6시 위치(5)로부터 3시 위치(7)까지의 회전 대칭적인 형태를 가진다. 이는 하우징 반경(8)이 6시 위치(6)로부터 3시 위치(7)까지 일정하다는 것을 의미한다.

유입 영역은 또한 유입구 연결 부재(9)를 가진다. 유입구 연결 부재(9)는 실질적으로 증기 라인(미도시)을 환형 유입 덕트(3)에 연결하는 관형 연결부이다. 유입구 연결 부재(9)는 개별적인 기하학적 형상을 가진다. 이 형상은 이제 더욱 상세하게 설명될 것이다. 초기 윤곽(10)은 관형 증기 라인(미도시)으로의 연결부를 형성한다. 초기 윤곽(10)의 단면은 그러므로 원형일 수 있다. 그러나, 다른 기하학적 관형 윤곽 또한 가능한다. 이 초기 윤곽(10)은 저부 연결 부재 경계(11)를 가지고, 이는 6시 위치(5)에 맞닿도록 하는 방식으로 형성된다. 즉 저부 연결 부재 경계(11)는 외부 경계(4)에 회전축(2)에 대해서 접선방향으로 유도된다. 이 경우, 저부 연결 부재 경계(11)는 완전히 초기 윤곽(10)의 근처에서 6시 위치(5)의 외부 경계(4) 아래에서 배열되는 방식으로 배열될 수 있다. 초기 윤곽(10)에서의 저부 연결 부재 경계(11)는 그러므로 6시 위치(5)의 외부 경계(4)보다 높이 거리(12)만큼 낮다.

유입구 연결 부재(9)는 또한 상부 연결 부재 경계(13)를 포함한다. 상부 연결 부재 경계(13)는 초기 윤곽(10)으로부터 시작하여 3시 위치(7)까지 상방으로 반원 호를 그린다. 상부 연결 부재 경계(13)는 외부 경계(4)에 접선방향으로 3시 위치(7)에 맞닿는다. 이에 따라, 유입구 연결 부재(9)는 환형 유입 덕트(3)로 열려진다. 환형 유입 덕트(3)는 실질적으로 환형 덕트 단면(A3)(더 상세하게 도시되지 않음)을 가지고 유동 덕트(미도시)에 유동 기술적으로 연결된다. 명확성의 이유를 위해, 도 1은 9시 위치(14), 12시 위치(15), 그리고 3시 위치(7)에서의 환형 덕트 단면(A3)을 도시한다.

초기 윤곽(10)에서, 유입구 연결 부재(9)는 유입구 단면(A1)을 가진다. 유입구 단면(A1)은 원형 또는 타원형 형상도 가질 수 있다. 작동 중, 유동 매체, 특히 증기는 환형 유입 덕트(3) 내로 유동 방향(16)에서 증기 터빈을 통해 유동한다. 환형 유입 덕트로의 증기의 유동은 복잡하며 이하의 도 6 및 도 7에서 더욱 상세하게 설명될 것이다. 도 1에 도시된 윤곽을 이해하기 위해서, 유동은 명확성을 위해 유동 라인(17)으로 나타내어진다. 유동 라인(17)은 실질적으로 환형 유입 덕트에서의 유동 매체의 이동을 예시하도록 의도된다. 그러므로 유동은 초기 윤곽(10)에서 시작하며 대략 5시 위치(18)의 초기 방향으로 편향된다. 유동 라인(17)을 따라, 유입구 단면(A1)은 특정 값을 가지며 최대 단면(A2)까지 증가한다. 최대 단면은 도 1의 라인에 의해 나타나며, 또한 이 라인은 A-A 섹션을 예시하고, 이는 도 3, 도 4 및 도 5에서 더욱 상세하게 설명될 것이다. 본 발명에 따르면, 유동 방향(16)에서의 단면은 그러므로 유입구 단면(A1)까지 감소되고 후속하여 환형 덕트 단면(A3)까지 감소된다. 이는 다른 방향이지만, 유동이 감속되고 다시 가속되는 효과를 가진다. 즉, 유동 속도는 환형 덕트로의 접근에 대한 단면 유입구의 경로에서 감속되고 후속하여 다시 가속되며, 접선 방향에서의 속도의 성분은 반경 방향에서의 속도 구성요소로 변환된다. 이러한 반경방향 유동 속도 구성요소는 원주 접선방향 유동의 경로를 폐쇄하고 그러므로 증기를 유동 덕트로 축방향으로 가압한다. 유입 손실은 그 결과 최소화된다.

이런 점에서, 다음 식

1.1<A2/A1<1.7 및 0.7<A3/A1<1.0가 적용된다.

도 2는 도 1로부터 라인 II-II을 따르는 단면도를 도시한다. 이 도면에서, 라인(19)은 유입구 단면(A1)을 도시하고 라인(20, 21, 22)은 세 개의 상이한 실시예를 도시하며, 이는 후속하는 바와 같이 설명될 수 있다. 라인(20)은 비율이 A2/A1=1인 윤곽을 그린다. 라인(21)은 비율이 A2/A1=1.25인 윤곽을 그린다. 라인(22)은 비율이 A2/A1=1.55인 윤곽을 그린다.

도 3은 도 1로부터 III-III 라인을 따르는 단면을 도시한다. 도 4 및 도 5는 다른 비율에 대해 도 1으로부터의 인터페이스(III-III)를 따르는 추가적인 단면을 도시한다. 그러므로, 도 3은 비율 A2/A1=1.55을 보여준다. 도 4는 비율 A2/A1=1.25를 보여주고 도 5는 비율 A2/A1=1를 보여준다.

도 6은 유동이 손실에 의해 영향을 받은 경우 유입 영역(1)에서의 유동 상태의 개략도를 도시한다. 발췌부(23)는 유입 영역(1)의 유입구 연결 부재의 사시도를 도시한다. 이에 관하여 도 6은 단면이 유동 방향에서 증가되지 않는 실시예를 도시한다. 도 6은 또한 유입 영역에서의 유동이 임계 영역(24)의 강한 원주방향 구성요소를 가진다는 것을 보여준다. 반면, 도 7은 유입구 연결 부재(9)의 본 발명에 따른 실시예를 도시한다. 추가적인 섹션(26)은 유입 영역(1)의 유입구 연결 부재(9)의 사시도를 도시한다. 초기 윤곽(10)에서의 단면(A1)은 유동 방향에서 최대 단면(A2)까지 증가되며, 후속하여 일정한 환형 덕트 단면(A3)까지 감소된다는 것이 관찰될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예는 1개 밸브 배열을 도시한다. 명확성의 이유로, 가능한 제2 밸브 가이드(25)의 윤곽이 도시된다.

본 발명이 바람직한 예시적 실시예에 의해 더욱 상세하게 예시되고 설명되었지만, 본 발명은 개시된 예시들에 의해 제한되지 않고, 다른 변형이 본 발명의 보호 범위로부터 벗어나지 않으면서 기술 분야의 숙련자로부터 유도될 수 있다.

Claims (6)

1. 증기 터빈이며,
   회전축(2)을 중심으로 회전가능하게 장착된 회전자, 회전자를 중심으로 배열된 하우징, 그리고 회전자와 하우징 사이에서 형성된 유동 덕트를 포함하고,
   환형 유입 덕트(3)로 개방되는 단일의 유입구 연결 부재(9)를 가지는 유입 영역(1)을 추가로 포함하며,
   이때 환형 유입 덕트(3)는 환형 덕트 단면(A3)을 가지며 유동 덕트에 유동적으로 연결되고,
   환형 유입 덕트(3)는 회전축(2)을 중심으로 형성되며,
   유입구 연결 부재(9)는 유동 매체가 작동 중 유동 방향으로 유동하는 유입구 단면(A1)을 가지며,
   유입구 단면(A1)은 유동 방향에서 최대 단면(A2)까지 증가하고 후속하여 환형 덕트 단면(A3)까지 감소하고,
   1.1<A2/A1<1.7인 것을 특징으로 하는 증기 터빈.
2. 제1항에 있어서, 환형 유입 덕트(3)는 회전축(2)을 중심으로 회전 대칭적인 형태를 가지는 증기 터빈.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유동 방향(16)은 유입구 연결 부재(9)의 영역에서 환형 유입 덕트(3)에 대해 접선방향으로 형성되는 증기 터빈.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 0.7<A3/A1>1.0가 적용되는 증기 터빈.
5. 증기 터빈의 유입 영역(1)에서의 유동 상태를 최적화하기 위한 방법이며,
   증기 터빈은 회전축(2)을 중심으로 회전가능하게 장착된 회전자, 회전자를 중심으로 배열된 하우징을 형성하는 유동 덕트를 포함하고,
   환형 유입 덕트(3)로 개방되는 단일의 유입구 연결 부재(9)를 가지는 유입 영역(1)을 추가로 포함하며,
   이때 환형 유입 덕트(3)는 환형 덕트 단면(A3)을 가지며 유동 덕트에 유동적으로 연결되고,
   유입구 연결 부재(9)는 유동 매체가 작동 중 유동 방향으로 유동하는 유입구 단면(A1)을 가지며,
   유입구 단면(A1)은 유동 방향에서 최대 단면(A2)까지 증가되고 후속하여 환형 덕트 단면(A3)까지 감소되고,
   1.1<A2/A1<1.7인 방법.
6. 삭제

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