KR102272728B1 - 증기 터빈 및 증기 터빈 조립 방법 - Google Patents

증기 터빈 및 증기 터빈 조립 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 증기 터빈을 제공한다. 증기 터빈은 하우징과, 주 증기 흐름을 하우징 내로 방출하도록 되어 있는 증기 입구를 구비한다. 스테이터가 하우징에 연결되어 있고, 로터가 하우징에 연결되어 있으며 스테이터 내에 위치해 있다. 상기 로터와 상기 스테이터는 이들 사이에 상기 주 증기 흐름과 유통 관계에 있는 주 유로를 획정하도록 구성되어 있다. 증기 터빈은 하우징에 연결된 시일 어셈블리를 포함한다. 시일 어셈블리는 패킹 헤드 및 복수의 시일을 포함한다. 패킹 헤드는 냉각 유로를 획정하도록 구성되어 있고, 냉각 유로는 로터와 유통 관계에 있으며 냉각 증기 흐름을 로터를 향해 방출하도록 구성되어 있다. 스월 방지 디바이스가 시일 어셈블리에 연결되어 있고 로터와 패킹 헤드 사이에 배치되어 있다.

Description

증기 터빈 및 증기 터빈 조립 방법{STEAM TURBINE AND METHODS OF ASSEMBLING THE SAME}
본원에 기재된 실시형태는 일반적으로 증기 터빈에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 증기 터빈의 로터에 대한 냉각 흐름의 스월 효과를 감소시키는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
증기 터빈은 효율을 증대시키기 위해서는 보다 높은 증기 온도를 필요로 하므로, 증기 터빈은 터빈의 유효 수명에 손해를 입히지 않도록 보다 높은 증기 온도를 견뎌내도록 제조된다. 통상의 터빈 작동 중에, 증기는 증기 공급원으로부터 하우징 입구를 통해 흘러 들어가, 환형의 고온 증기 경로를 따라 실질적으로 회전축에 평행하게 유동한다. 통상적으로, 증기가 후속 터빈 단(段)의 베인 및 블레이드를 통과해 유동하도록, 터빈의 단은 증기 경로 내에 배치되어 있다. 터빈 블레이드는 복수의 터빈 휠에 고정될 수 있는데, 이 경우 각 터빈 휠은 로터 샤프트와 함께 회전하도록 로터 샤프트에 연결되어 있거나 혹은 로터 샤프트와 일체를 이루고 있다. 별법으로서, 터빈 블레이드는 개개의 휠이 아니라 드럼형 터빈 로터에 고정될 수 있는데, 이 경우 드럼이 샤프트와 일체로 형성되어 있다.
적어도 몇몇 터빈 블레이드는, 실질적으로 평면형인 플랫폼으로부터 반경방향 외측으로 연장되는 에어포일과, 상기 플랫폼으로부터 반경방향 내측으로 연장되는 루트 부분을 포함한다. 상기 루트 부분은, 블레이드를 터빈 로터의 터빈 휠에 고정하기 위한 더브테일(dovetail) 또는 그 밖의 수단을 포함할 수 있다. 일반적으로, 작동 중에, 증기는 터빈 블레이드의 위와 주위로 유동하여, 터빈 블레이드는 높은 열 응력을 받게 된다. 이러한 높은 열 응력은 터빈 블레이드, 휠, 및/또는 로터의 사용 수명을 제한한다. 보다 구체적으로, 증기 온도가 상승함에 따라, 로터 재료에는 크리프와 파열이 일어날 수 있다. 종래의 증기 터빈은, 로터의 운전 수명 및 성능을 증대시키도록 온도에 대한 저항성이 보다 큰 재료를 사용할 수 있다. 그러나, 이러한 재료는 터빈 로터의 제조 비용을 증대시킬 수 있다. 일부 증기 터빈은, 중간 압력의 단으로부터 로터를 향해 냉각 증기를 주입할 수 있다. 그러나, 통상적인 냉각 시스템은 스월 효과를 가질 수 있는데, 이 스월 효과는 로터로부터의 열 전달에 영향을 미치거나 및/또는 로터의 작동에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
일본 공개특허공보 특개소63-088209호(1988.4.19.)
일 양태에서는 증기 터빈이 제공된다. 증기 터빈은 하우징과, 제1 증기 흐름을 하우징 내로 방출하도록 되어 있는 증기 입구를 구비한다. 스테이터가 하우징에 연결되어 있고, 로터가 하우징에 연결되어 있으며 스테이터 내에 위치해 있다. 상기 로터와 상기 스테이터는 이들 사이에 상기 제1 증기 흐름과 유통 관계에 있는 제1 유로를 획정한다. 상기 로터는 로터 휠 공간을 포함한다. 증기 터빈은 하우징에 연결된 시일 어셈블리를 포함한다. 시일 어셈블리는 패킹 헤드 및 복수의 시일을 포함한다. 패킹 헤드는, 로터 휠 공간에서 로터와 유통 관계에 있고 제2 증기 흐름을 로터 휠 공간을 향해 방출하도록 구성되어 있는 제2 유로를 획정한다. 스월 방지 디바이스가 로터 휠 공간과 패킹 헤드 사이에서 시일 어셈블리에 연결되어 있다.
다른 양태에서는, 로터 어셈블리가 제공된다. 로터 어셈블리는 하우징에 연결되어 있고 증기 터빈의 주 유로 내에 위치해 있다. 로터 어셈블리는 하우징에 연결된 로터를 포함한다. 상기 로터는 로터 휠 공간을 포함한다. 로터 어셈블리는, 하우징에 연결된 시일 어셈블리를 더 포함한다. 시일 어셈블리는 제2 유로를 형성하는 복수의 시일을 포함하고, 제2 유로는 로터 휠 공간과 유통 관계에 있으며 제2 증기 흐름을 로터 휠 공간을 향해 방출한다. 스월 방지 디바이스가 시일 어셈블리에 연결되어 있고 로터 휠 공간과 복수의 시일 사이에 있다. 스월 방지 디바이스는 냉각 증기 흐름의 스월을 감소시키도록 구성되어 있다.
또 다른 양태에서는, 증기 터빈을 조립하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 스테이터를 하우징에 연결하는 단계와, 증기 입구를 하우징에 유통 관계로 연결하는 단계를 포함한다. 제1 유로가 상기 하우징 내에 상기 증기 입구와 유통 관계로 형성된다. 상기 방법은, 스테이터 내에서 로터를 하우징에 연결하는 단계를 포함한다. 상기 로터는 로터 휠 공간과 복수의 블레이드를 포함한다. 시일 어셈블리는 하우징에 연결되고 복수의 시일을 포함하며, 복수의 시일은 로터 휠 공간에서 로터와 유통 관계에 있는 제2 유로를 형성한다. 제2 유로는, 제2 증기 흐름을 로터 휠 공간을 향해 방출하도록 구성되어 있다. 상기 방법은, 스월-방지 디바이스를 로터 휠 공간과 복수의 시일 사이에서 시일 어셈블리에 연결하는 단계를 더 포함한다.
도 1은 증기 터빈, 로터 어셈블리 및 증기 터빈에 연결된 예시적인 스월-방지 디바이스의 측면도이다.
도 2는 제1 위치에 있는 도 1에 도시된 스월-방지 디바이스의 측면도이다.
도 3은 제2 위치에 있는 도 1에 도시된 스월-방지 디바이스의 측면도이다.
도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 스월-방지 디바이스의 저면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 증기 터빈과 증기 터빈에 연결된 스월-방지 디바이스의 다른 측면도이다.
도 6은 대안적인 스월-방지 디바이스를 포함하는 도 1에 도시된 증기 터빈의 측면도이다.
도 7은 또 다른 대안적인 스월-방지 디바이스를 포함하는 도 1에 도시된 증기 터빈의 측면도이다.
도 8은 예시적인 증기 터빈 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
본원에 기재된 실시형태는 일반적으로 증기 터빈에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 상기 실시형태는 증기 터빈 내에서 유동하는 냉각 증기의 스월 효과를 감소 및/또는 제거하는 데 사용하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본원에 기재된 부품 냉각에 관한 실시형태가 터빈 로터에 국한되지 않음은 물론이며, 더 나아가 증기 터빈과 로터를 이용한 설명 및 도면은 단지 예시에 불과한 것임은 물론이다. 또한, 상기 실시형태는 증기 터빈과 로터를 예시하지만, 본원에 기재된 실시형태는 그 밖의 적절한 터빈 부품에 포함될 수 있다. 추가적으로, 본원에 기재된 유로에 관한 실시형태는 터빈 부품에 국한될 필요가 없음은 물론이다. 또한, 용어 "주 유로"와 "제1 유로"는 교환 가능하게 사용되고; 용어 "주 증기 흐름"과 "제1 증기 흐름"은 교환 가능하게 사용되며; 용어 "냉각 유로"와 "제2 유로"는 교환 가능하게 사용되고; 용어 "냉각 증기 흐름"과 "제2 증기 흐름"은 교환 가능하게 사용되는 것으로 이해되어야 한다. 구체적으로, 상기 실시형태는 일반적으로, 물품을 냉각하기 위해 물품의 표면에 방향이 맞춰진 매체, 예컨대, 물, 증기, 공기, 연료 및/또는 임의의 다른 적절한 유체 등이 통과하는 임의의 적절한 물품에 이용될 수 있다.
도 1은 증기 터빈(100), 로터 어셈블리(102) 및 증기 터빈(100)에 연결된 스월-방지 디바이스(186)의 측면도를 보여준다. 도 2는 제1 위치(191)에 있는 것으로 도시된 스월-방지 디바이스(186)의 측면도이다. 도 3은 제1 위치(193)에 있는 것으로 도시된 스월-방지 디바이스(186)의 측면도이다. 도 4는 스월-방지 디바이스(186)의 저면도이다. 이 예시적인 실시형태에서, 증기 터빈(100)은 터빈 섹션(104)과 터빈 단부 영역(106)을 포함한다. 별법으로서, 증기 터빈(100)은, 증기 터빈(100)이 본원에 기재된 바와 같이 기능할 수 있게 하는 임의의 수의 터빈 섹션, 영역, 및/또는 구성을 포함할 수 있다. 이 예시적인 실시형태에서, 터빈 섹션(104)은 서로 간격을 두고 배치된 관계인 복수의 단(段)(108)을 포함한다. 각 단(108)은 회전 어셈블리(110)와 고정 어셈블리(112)를 포함한다. 회전 어셈블리(110)는 증기 터빈(100)의 회전축(116)의 둘레로 회전하는 로터(114)를 포함한다. 복수의 블레이드(118)가 복수의 플랫폼(120)에 연결되어 있고, 각 블레이드(118)는 플랫폼(120)으로부터 고정 어셈블리(112)를 향해 반경방향 외측으로 연장되어 있다. 복수의 블레이드 루트(122)가, 플랫폼(120)에 연결되어 있고 플랫폼(120)으로부터 반경방향 외측으로 연장되어 있으며 로터(114)에 연결되어 있다. 로터(122)는 블레이드(118)를 로터(114)의 로터 본체(123)에 연결한다. 또한, 이웃하는 블레이드(118)는 그 사이에 위치하는 루트 영역(134)을 획정한다. 로터 본체(123)는 로터 휠 공간(164)을 포함하는데, 이 로터 휠 공간은 터빈 작동 중에 높은 압력과 높은 응력을 받는다.
고정 어셈블리(112)는 하우징(124), 스테이터(126) 및 복수의 고정 베인(128)을 포함한다. 베인(128)은 스테이터(126)에 형성된 더브테일(132)에 연결되어 있고, 블레이드(118)의 단 사이에서 둘레방향으로 간격을 두고 배치되어 있다. 하우징(124)은 로터(114), 블레이드(118), 스테이터(126) 및 베인(128) 중 적어도 하나를 에워싼다. 이 예시적인 실시형태에서, 로터(114)와 스테이터(126)는 하우징(124) 내에서 이들 사이에 제1 유로(130) 또는 주 유로를 획정하는 공간 관계에 있다. 또한, 고정 어셈블리(112)는, 주 유로(130)와 유통 관계로 연결된 증기 입구(136)를 포함한다. 증기 입구(136)는, 주 유로(130)를 향해 제1 온도(T1)의 주 증기 흐름(138) 또는 제1 증기 흐름을 보내며 복수의 블레이드(118)와 유통 관계에 있다. 이 예시적인 실시형태에서는, 증기 입구(136)는 하우징(124) 내에 위치해 있고, 증기 공급원(140), 예컨대 보일러 또는 열 회수 증기 발생기 등과 유통 관계에 있다. 또한, 증기 입구(136)는 보울 인서트(144)를 갖는 보울 영역(142)과 누출 유로(146)를 포함한다.
터빈 단부 영역(106)은, 로터(114)에 연결된 시일 어셈블리(148)를 포함한다. 시일 어셈블리(148)는, 제1 시일 부재(150), 제2 시일 부재(151) 및 제3 시일 부재(152)를 포함한다. 이 예시적인 실시형태에서, 시일 어셈블리(148)는 패킹 헤드(154)를 포함하는데, 이 패킹 헤드는 증기 입구(136)의 상류측 위치에서 로터(114)에 연결되어 있다. 제1 시일 부재(150)는, 주 증기 흐름(138)이 로터 휠 공간(164)으로 누출되는 것을 감소시키고, 고온 증기를 받아들이는 것을 방지 또는 제한하도록 로터 휠 공간(16) 내의 압력을 상승시키는 것을 가능하게 한다. 로터 휠 공간(164)은 주 유로(130) 내의 높은 온도의 영향을 받고 회전하는 블레이드(118)를 유지시키는 것을 통해 경험하게 되는 높은 응력의 영향을 받으므로, 로터 휠 공간(164)에는 냉각이 필요하다.
패킹 헤드(154)는, 제1 유로(130)와 유통 관계에 있는 제1 섹션(158) 및 제1 섹션(158)과 유통 관계에 있는 제2 섹션(160)을 갖는 제2 유로(156) 또는 냉각 유로를 형성한다. 이 예시적인 실시형태에서, 냉각 흐름 공급원(111)은, 제2 유로(156)에 유통 관계로 연결되어 있다. 냉각 흐름 공급원(111)은, 제2 증기 흐름(162) 또는 냉각 증기 흐름을 제2 유로(156)에 방출하도록 구성되어 있다. 이 예시적인 실시형태에서, 제2 증기 흐름(162)은, 주 증기 흐름(138)의 제1 온도(T1)와 다른 제2 온도(T2)를 갖는다. 보다 구체적으로, 제2 온도(T2)는 제1 온도(T1)보다 낮다. 별법으로서, 제2 온도(T2)는 제1 온도(T1)와 거의 동일하거나, 혹은 제1 온도(T1)보다 높을 수 있다. 제2 온도(T2)는, 로터 휠 공간(164)에서의 로터 본체의 냉각을 가능하게 하는 임의의 온도를 가질 수 있다.
패킹 헤드(154)는, 제2 증기 흐름(162)을 제2 섹션(160) 및 제1 섹션(158)을 통과하게 지향시키거나 및/또는 방출시켜, 로터 휠 공간(164)에서 로터 본체(123)를 냉각하는 것을 가능하게 한다. 제3 시일 부재(152)는 하나 이상의 시일 링(168, 170, 172, 174)을 포함한다. 제3 시일 부재(152), 냉각 흐름이 로터 단부(171)를 향해 새어나가는 것을 제한하거나, 및/또는 고압 섹션(도시 생략)으로부터의 누출 흐름(도시 생략)이 로터 단부(171)에서 제2 유로(156)에 들어가는 것을 제한하도록 구성되어 있다.
제2 증기 흐름(162)의 흐름 누출을 감소시키기 위해, 복수의 시일(166)이 제2 유로(156) 내에 배치되어 있다. 시일(166)은 시일 링(168, 170, 172, 174)에 연결될 수 있고 로터(114)의 상대 부분에 맞대어질 수 있다. 터빈(100)은, 터빈 단부 영역(106)이 본원에 기재된 바와 같이 기능할 수 있게 하는 임의의 수의 시일(166)을 포함할 수 있다. 스프링 기구(176)는 각 시일 링(168, 170, 172, 174)을 폐쇄 위치로 편향시키거나, 및/또는 각 시일 링(168, 170, 172, 174)을 개방 위치로 편향시킨다. 시일(166)은, 브러시 시일과 같은 가요성 부재, 허니콤 시일, 감합부, 및/또는 유체 역학적 페이스 시일 등(이들에 국한되는 것은 아님)의 형태를 가질 수 있다. 이 예시적인 실시형태에서, 제2 시일 부재(151)가 냉각 흐름 공급원(111)과 스월-방지 디바이스(186)의 사이에 배치되어 있다. 이 예시적인 실시형태에서, 제2 시일 부재(151)는 브러시 시일(179)을 포함한다. 별법으로서, 제2 시일 부재(151)는, 터빈 단부 영역(106)이 본원에 기재된 바와 같이 기능할 수 있게 하는 임의의 타입의 시일을 포함할 수 있다.
스월-방지 디바이스(186)는 패킹 헤드(154)에 연결되어 있고, 제2 유로(156) 내에 적어도 부분적으로 배치되어 있다. 보다 구체적으로, 스월-방지 디바이스(186)는 제1 섹션(158)과 제2 섹션(160)의 사이에 배치되어 있다. 스월-방지 디바이스(186)는 제1 단부(178), 제2 단부(180) 및 제1 단부(178)와 제2 단부(180)의 사이에서 보이드(189)를 획정하도록 구성되어 있는 복수의 베인(188)을 포함한다. 베인(188)은 제1 단부(178)에서 시작되어 제2 단부(180)에서 종단된다. 스월-방지 디바이스(186)는 둘레방향 단부(175)와 반대측 단부(177)에 의해 분할될 수 있다. 이 예시적인 실시형태에서, 베인(188)은 또한 둘레방향 단부(175)와 반대측 단부(177) 사이에서 연장된다. 베인(188), 예컨대 베인(188a, 188b, 188c)은 측면(182)에 대해 각도를 이루고 있다. 보다 구체적으로, 베인(188)은 약 10° 내지 약 90°의 범위를 갖는 각도 α를 갖는다. 보다 구체적으로 각도 α는 약 45°이다. 별법으로서, 베인(188)은 둘레방향 단부(175)와 반대측 단부(177) 중 적어도 하나에 대해 임의의 각도를 가질 수 있거나, 혹은 축선(116)에 대해 실질적으로 평행할 수 있다(도 1에 도시).
이 예시적인 실시형태에서, 패킹 헤드(154)는 제2 섹션(160)과 유통 관계에 있는 리세스(190)를 포함한다. 스프링(194)이, 리세스 단부(192)와 스월-방지 디바이스(186)의 사이에 배치되어 있다. 스월-방지 디바이스(186)를 제2 섹션(160) 내에서 제1 위치(191)(도 2)와 제2 위치(193)(도 3)의 사이로 이동시키도록, 아암(196)이 스프링(194)에 연결되어 있다. 제1 위치(191)에서, 제2 단부(180)는 로터(114)에 대해 폐쇄 위치에 있고; 제2 위치(193)에서, 제2 단부(180)는 로터(114)로부터 멀리 떨어져 있다. 전이 상태 중에 로터의 진동 및/또는 오정렬로 인하여 로터(114)와 스월-방지 디바이스(186)가 마찰 접촉하는 것을 최소화할 수 있게 하기 위해, 스월-방지 디바이스(186)를 로터(114)와의 접촉시 제2 위치(193)를 향해 이동할 수 있게 하면서, 스월-방지 디바이스(186)를 작동 위치에 배치할 수 있게 하도록, 스프링(194)이 베인(188)을 제1 위치(191)로 편향시키도록 구성되어 있다.
스월-방지 디바이스(186)는 제2 증기 흐름(162)에 관하여 제2 시일 부재(151)의 하류측과 로터 휠 공간(164)의 상류측에 위치해 있다. 제2 증기 흐름(162)은, 제2 유로(156)를 통과해 이동하면서 로터(114)의 회전으로부터 접선방향 속도 성분을 얻을 때 발생하는 증기 스월(184)을 갖는다. 제2 증기 흐름(162)이 로터 휠 공간(164)에 접촉할 때, 증기 스월(184)은 로터 휠 공간(164)으로부터의 열 전달 및/또는 로터(114)의 작동에 부정적인 영향을 미친다. 스월-방지 디바이스(186)는 제2 증기 흐름(162) 내에 존재하는 증기 스월(184)을 감소 및/또는 제거한다. 별법으로서, 스월-방지 디바이스(186)는, 제2 증기 흐름(162) 내에 존재하는 증기 스월(184)을 역전시켜 상대 속도를 증가시킴으로써, 로터 휠 공간(164)의 냉각을 가능하게 하도록 로터(114)로부터 제2 증기 흐름(162)으로의 열 교환을 강화시킨다. 열 전달율은 열 전달 계수 및 온도차와 관련이 있을 수 있다. 상대 속도를 증가시키면, 열 전달 계수가 증가할 것이고, 온도차의 감소를 추월할 것이다.
스월-방지 디바이스(186)는 제2 증기 흐름(162)에 존재하는 증기 스월(184)의 효과를 감소 및/또는 제거하여, 로터(114)와 제2 증기 흐름(162) 간의 높은 상대 회전 속도로 인한 열 전달을 강화시킨다. 보다 구체적으로, 스월-방지 디바이스(186)의 위치 및 베인(188)의 각도 α는, 제2 증기 흐름(162)의 흐름 방향을 변경하여 양(陽)의 증기 스월(184)을 감소시키도록 구성되어 있다. 별법으로서, 음(陰)의 스월(도시 생략)을 달성하도록 로터의 회전 방향에 대하여 베인(188)의 각도 α를 설정함으로써, 제2 증기 흐름(162)에 존재하는 증기 스월(184)을 역전시키도록 베인(188)의 크기 및 형상이 정해진다. 로터(114)로부터 제2 증기 흐름(162)으로의 열 전달을 가능하게 하도록, 제2 증기 흐름(162)은 높은 상대 속도로 스월-방지 디바이스(186)를 통과하고 로터 휠 공간(164)에 접촉한다. 보다 구체적으로, 작동 중에, 제2 증기 흐름(162)은 스월-방지 디바이스(186)를 지나도록 지향되어 있고, 로터 본체(123), 루트(122), 블레이드(118) 및 로터 휠 공간(164) 중 적어도 하나에 접촉하여 이들로부터의 열 전달을 가능하게 한다. 제2 증기 흐름(162)은 계속 유동하여 주 증기 흐름(138)과 혼합된다.
도 5는 증기 터빈(100) 및 스월-방지 디바이스(186)의 다른 측면도이다. 이 예시적인 실시형태에서, 스월-방지 디바이스(186)는 제2 시일 부재(151)에 연결되어 있다. 보다 구체적으로, 스월-방지 디바이스(186)는 제2 시일 부재(151)에 일체로 연결되어 있다. 별법으로서, 스월-방지 디바이스(186)는 제2 시일 부재(151)에 분리 가능하게 연결될 수 있다. 제2 증기 흐름(162) 내에 존재하는 증기 스월(184)을 감소 및/또는 제거 및/또는 역전시킬 수 있게 하도록, 스월-방지 디바이스(186)는 제2 증기 흐름(162)에 관하여 제2 시일 부재(151)의 하류측과 로터 휠 공간(164)의 상류측에 연결되어 있다.
작동 중에, 고압 고온의 주 증기 흐름(138)은 증기 공급원(140)으로부터 증기 입구(136)를 지나 주 유로(130)를 향해 간다. 보다 구체적으로, 주 증기 흐름(138)은 블레이드(118)와 베인(128)을 향해 간다. 주 증기 흐름(138)이 블레이드(118)에 접촉할 때, 주 증기 흐름(138)은 블레이드(118)와 로터(114)를 회전시킨다. 주 증기 흐름(138)은 하류측 방향에 있는 단(108)을 통과하고, 유사한 방식으로 연이어 있는 복수의 단(도시 생략)을 계속 통과한다.
복수의 블레이드(118)를 통과하여 로터(114)를 회전시키는 것을 통한 일을 행하지 않는 증기 흐름은 누출 흐름으로 고려된다. 증기 터빈(100)에서 일을 행하지 않는 누출 흐름은 출력 손실을 초래한다. 제1 시일 부재(150)는, 주 증기 흐름(138)이 휠 공간(164)으로 누출되는 것을 감소시키도록 구성되어 있다. 한편, 냉각 흐름 공급원(111)으로부터 유도된 제2 증기 흐름(160)은, 제2 시일 부재(151) 및 스월-방지 디바이스(186)를 통과한다. 보다 구체적으로, 제2 증기 흐름(160)은 스월-방지 디바이스(186)의 베인(188)을 통과한다.
작동 중에, 베인(128) 이후의 주 증기 흐름(138)보다 온도가 낮고 및 압력이 높은 제2 증기 흐름(162)이, 패킹 헤드(154)를 통과하게 지향된다. 이 예시적인 작동에서, 제2 증기 흐름(162)은 냉각 유로(156)를 통과하게 지향된다. 제2 증기 흐름(162)이 시일(151) 및 제2 유로(156)를 통과해 갈 때, 제2 증기 흐름(162) 내에 스월(184)을 발생시키는 로터(114)로부터, 제2 증기 흐름(162)이 회전 속도를 얻는다. 제2 증기 흐름(162)은 계속 유동하여 제2 시일 부재(151)를 지나 스월-방지 디바이스(186)와 접촉한다. 베인(188)은 제2 증기 흐름(162)을 붙잡거나 보내고, 제2 증기 흐름(162)의 접선방향 속도를 감소시키거나 및/또는 제2 증기 흐름(162)의 방향을 역전시킨다. 따라서, 로터(114)와 제2 증기 흐름(162) 간의 상대 속도는 로터(114)의 회전 속도에 육박하게 되며, 그 결과 로터 휠 공간(164)에 있어서 로터(114)와 제2 증기 흐름(162) 간의 열 전달이 증대되어 로터 본체(123)를 냉각시킬 수 있게 된다.
스월-방지 디바이스(186)는 제2 증기 흐름(162)에 존재하는 증기 스월(184)의 효과를 감소 및/또는 제거하여, 로터(114)와 제2 증기 흐름(162) 간의 높은 상대 회전 속도로 인한 열 전달을 강화시킨다. 보다 구체적으로, 베인(188)의 각도 α는, 제2 증기 흐름(162)의 흐름 방향을 변경하여 양의 증기 스월(184)을 감소시키도록 구성되어 있다. 별법으로서, 음의 스월(도시 생략)을 달성하도록 로터의 회전 방향에 대하여 베인(188)의 각도 α를 설정함으로써, 제2 증기 흐름(162)에 존재하는 증기 스월(184)을 역전시키도록 베인(188)의 크기 및 형상이 정해진다. 로터(114)로부터 제2 증기 흐름(162)으로의 열 전달을 가능하게 하도록, 제2 증기 흐름(162)은 높은 상대 속도로 스월-방지 디바이스(186)를 통과하고 로터 휠 공간(164)에 접촉한다. 보다 구체적으로, 작동 중에, 제2 증기 흐름(162)은 스월-방지 디바이스(186)를 지나도록 지향되어 있고, 로터 본체(123), 루트(122), 블레이드(118) 및 로터 휠 공간(164) 중 적어도 하나에 접촉하여 이들로부터의 열 전달을 가능하게 한다.
또한, 작동 중에, 스프링(194)은 아암(196)을 통해 스월-방지 디바이스(186)를 제1 위치(191)(도 2에 도시)에 로터(114)와 작은 간격을 두고 있는 상태로 편향시킨다. 제2 증기 흐름(162)은 베인(188) 내의 채널을 통과해 진행하는 데, 이 채널은 제2 증기 흐름(162)을 축방향 및/또는 역전된 회전 흐름 방향으로 방향을 바꾼다. 베인(188)을 빠져나갈 때, 제2 증기 흐름(162)은 로터 휠 공간(164)의 냉각을 가능하게 한다. 전이 기간, 예컨대 시동 및 정지 중에, 로터의 가동역이 큰 경우, 로터(114)는 제2 단부(180)에 접촉할 수 있다. 로터(114)가 제2 단부(180)에 접촉한다면, 로터(114)는 스월-방지 디바이스(186)를 스프링(194)에 대항하여 제2 위치(193)(도 3에 도시)를 향해 외측으로 이동시켜 로터(114)에 대한 강한 마찰 손상을 방지한다.
도 6은 증기 터빈(100)과 증기 터빈(100)에 연결된 대안적인 스월-방지 디바이스(200)의 측면도이다. 도 6에서, 도 1~도 5와 유사한 부품에는 동일한 도면부호가 붙여져 있다. 이 예시적인 실시형태에서, 스월-방지 디바이스(200)는 시일(151)과 휠 공간(164)의 사이에 있다. 스월-방지 디바이스(200)는 패킹 헤드(154)에 연결되어 있고 로터(114)를 향해 연장되어 있다. 스월-방지 디바이스(200)는, 제1 섹션(158)과 제2 섹션(160)의 사이에 위치해 있고 시일 부재(151)로부터 간격을 두고 배치되어 있는 브러시 시일(202)을 포함한다. 브러시 시일(202)은, 제2 증기 흐름(162) 내의 스월(184)을 걸러 내도록 구성되어 있고 다공성 매체를 갖는 긴밀하게 패킹된 거의 원통형상의 강모를 포함한다. 브러시 시일(202)은, 둘레방향 흐름에 대해 큰 저항성을 갖는 임의의 다공성 매체 타입의 디바이스일 수 있다. 이 예시적인 실시형태에서, 강모(204)는, 정상 상태의 작동 중에는 긴밀한 간격을 유지하면서 터빈의 작동 중에 이동을 가능하게 하는 낮은 반경방향 강성을 갖는다. 스프링 부하 디바이스(192)가 강모(204)를 제2 섹션(160) 내에서 제1 위치(191)(도 2)와 제2 위치(193)(도 3) 사이로 이동시킨다. 제1 위치(191)에서, 강모 단부(201)가 로터(114)의 근방에 있고; 제2 위치(193)에서, 강모 단부(201)가 로터(114)로부터 떨어져 있다.
예시적인 작동 중에, 주 증기 흐름(138)보다 온도가 낮은 제2 증기 흐름(162)은 패킹 헤드(154)를 경유하여 단부 영역(106)을 통과해 간다. 이 예시적인 작동에서, 제2 증기 흐름(162)은 냉각 유로(156)를 통과하게 지향된다. 제2 증기 흐름(162)이 시일(151)과 로터(114) 사이의 작은 간극을 통과해 갈 때, 제2 증기 흐름(162) 내에 스월(184)을 발생시키는 로터(114)로부터, 제2 증기 흐름(162)이 회전 속도를 얻는다. 보다 구체적으로, 제2 증기 흐름(162)은 제2 섹션(160)을 통과하고 시일(151)을 가로지르도록 지향된다. 제2 섹션(160)은 제2 증기 흐름(162)을 시일(151)로부터 스월-방지 디바이스(200)를 향해 지향시킨다.
스월-방지 디바이스(200)는 제2 증기 흐름(162)에 존재하는 스월(184)의 효과를 감소 및/또는 제거하여, 로터(114)에 대한 제2 증기 흐름(162)의 상대 속도를 증가시킬 수 있게 한다. 로터(114)로부터 제2 증기 흐름(162)으로의 열 전달을 가능하게 하도록, 제2 증기 흐름(162)은 스월-방지 디바이스(200)를 통과하고 로터(114)에 접촉한다. 보다 구체적으로, 작동 중에, 제2 증기 흐름(162)은 스월-방지 디바이스(200)를 지나도록 지향되어 있고, 로터 본체(123), 루트(122), 블레이드(118) 및 휠 공간(164) 중 적어도 하나에 접촉하여 이들로부터의 열 전달을 가능하게 한다. 제2 증기 흐름(162)은 계속 유동하여 주 증기 흐름(138)과 혼합된다.
별법으로서, 스월-방지 디바이스(200)는, 가압 유체가 패킹 헤드(154)를 통과해 누출되는 것을 감소시킬 수 있게 하는 유체 역학적 페이스 시일(도시 생략)을 포함할 수 있다. 유체 역학적 페이스 시일은 상대(회전) 링(도시 생략)과 시일(정지) 링(도시 생략)을 포함한다. 일반적으로, 상대 링의 면에는 얕은 유체 역학적 홈(도시 생략)이 형성 또는 식각되어 있다. 작동 중에, 회전 링에 있는 유체 역학적 홈은, 정지 링을 회전 링으로부터 상승 또는 분리시켜 이들 두 링 사이에 작은 간극이 형성되게 하는 유체 역학적 힘을 발생시킨다. 회전 링과 고정 링 사이의 간극을 밀봉 가스가 통과한다.
도 7은 증기 터빈(100)과 증기 터빈(100)에 연결된 대안적인 스월-방지 디바이스(206)의 측면도이다. 이 예시적인 실시형태에서, 스월-방지 디바이스(206)는 패킹 헤드(154)와 일체로 형성되어 있다. 스월-방지 디바이스(206)는, 제2 섹션(160) 내에 있고 시일 부재(151)로부터 간격을 두고 배치되어 있는 변류기(208)를 포함한다. 변류기(208)는, 냉각 유로(156)를 통과하는, 특히 제2 섹션(160)을 통과하는 제2 증기 흐름(162)을 스월-방지 디바이스(206)로 가게 한다. 스월-방지 디바이스(206)는 제2 증기 흐름(162) 내에 존재하는 스월(184)을 감소 및/또는 제거하도록 구성되어 있다. 별법으로서, 스월-방지 디바이스(206)는, 제2 증기 흐름(162) 내에 존재하는 증기 스월(184)을 역전시켜 상대 속도를 증가시킴으로써, 로터(114)로부터 제2 증기 흐름(162)으로의 열 교환을 강화시킨다.
스월-방지 디바이스(206)는 제2 증기 흐름(162)에 존재하는 스월(184)의 효과를 감소 및/또는 제거하여, 로터(114)에 대한 제2 증기 흐름(162)의 상대 속도를 증가시킬 수 있게 한다. 로터(114)로부터 제2 증기 흐름(162)으로의 열 전달을 가능하게 하도록, 제2 증기 흐름(162)은 스월-방지 디바이스(206)를 통과하고 로터(114)에 접촉한다. 보다 구체적으로, 작동 중에, 제2 증기 흐름(162)은 스월-방지 디바이스(206)를 지나도록 지향되어 있고, 로터 본체(123), 루트(122), 블레이드(118) 및 휠 공간(164) 중 적어도 하나에 접촉하여 이들로부터의 열 전달을 가능하게 한다. 제2 증기 흐름(162)은 계속 유동하여 주 증기 흐름(138)과 혼합된다.
도 8은 증기 터빈, 예컨대 (도 1에 도시된) 증기 터빈(100)을 제조하는 방법(802)을 보여주는 예시적인 흐름도(800)이다. 방법(802)은, 스테이터, 예컨대 (도 1에 도시된) 스테이터(126)를 하우징, 예컨대 (도 1에 도시된) 하우징(124)에 연결하는 단계(804)를 포함한다. 증기 입구, 예컨대 (도 1에 도시된) 증기 입구(136)를, 하우징에 유통 관계로 연결한다(806). 방법(802)은 또한, 상기 하우징 내에 상기 증기 입구와 유통 관계로 제1 유로, 예컨대 (도 1에 도시된) 제1 유로(130)를 형성하는 단계(808)를 포함한다. 방법(802)은, 로터, 예컨대 (도 1에 도시된) 로터(114)를 스테이터 내에서 하우징에 연결하는 단계(810)를 더 포함하는데, 여기서 로터는 복수의 블레이드, 예컨대 (도 1에 도시된 블레이드(118)와, 휠 공간, 예컨대 (도 1에 도시된) 휠 공간(164)을 포함한다.
이 예시적인 방법(802)에서는, 시일 어셈블리, 예컨대 (도 1에 도시된) 시일 어셈블리를 하우징에 연결한다(812). 시일 어셈블리는 제2 유로, 예컨대 (도 2에 도시된) 제2 유로(156)를 형성하는 복수의 시일, 예컨대 (도 2에 도시된) 시일 부재(151)를 포함하고, 제2 유로는 로터 휠 공간과 유통 관계에 있으며 제2 증기 흐름, 예컨대 (도 2에 도시된) 제2 증기 흐름(162)을 로터 휠 공간에서 로터를 향해 방출하도록 구성되어 있다. 방법(802)은, 스월-방지 디바이스, 예컨대 (도 1에 도시된) 스월-방지 디바이스(186)를, 로터 휠 공간과 시일 사이에서 시일 어셈블리에 연결하는 단계(814)를 포함한다. 스월-방지 디바이스를 연결하는 단계(814)는, 베인, 예컨대 (도 2에 도시된) 베인(188)을, 냉각 유로 내에 시일(151)의 하류측에 연결하는 것을 포함한다. 방법(802)은 스프링 부하 디바이스, 예컨대 (도 2에 도시된) 스프링 부하 디바이스(192)를 스월-방지 디바이스에 연결하는 단계(816)를 더 포함한다.
본원에 기재된 시스템 및 방법의 기술적 효과로는, (a) 스월-방지 디바이스를 패킹 헤드의 출구측에 연결하는 것; (b) 증기 터빈으로부터의 열 전달을 강화하도록, 냉각 증기에 존재하는 증기 스월을 감소 및/또는 역전시키는 것; (c) 증기 터빈의 로터에 미치는 냉각 효과를 강화하는 것; (d) 터빈 부품의 제조, 운전, 및/또는 유지보수 비용을 감소시키는 것; 및 (c) 증기 터빈의 운전 수명을 증대시키는 것 중의 적어도 하나가 포함된다.
본원에 기재된 예시적인 실시형태는 증기 터빈의 로터로부터의 열 전달을 가능하게 한다. 상기한 실시형태는, 냉각 증기가 패킹 헤드를 빠져나와 로터를 향해 흐를 때, 냉각 증기의 증기 스월을 감소 및/또는 역전시키도록, 패킹 헤드의 출구측에 연결된 스월-방지 디바이스를 이용한다. 스월 방지 디바이스는, 증기 터빈, 특히 로터로부터의 열 전달을 강화하도록, 증기 스월을 변경한다. 로터의 냉각을 강화시킴으로써, 본원에 기재된 실시형태는 운전 및/또는 유지보수 비용을 감소시킨다. 또한, 본원에 기재된 예시적인 실시형태는 증기 터빈의 운전 수명을 증대시킨다.
증기 터빈과 증기 터빈 조립 방법의 예시적인 실시형태가 위에 상세히 기술되어 있다. 상기 방법 및 시스템은 본원에 기재된 특정 실시형태에 제한되는 것이 아니라, 시스템의 부품 및/또는 방법의 단계는 본원에 기재된 다른 부품 및/또는 단계와는 독립적으로 및 별개로 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 방법은 또한 다른 제조 시스템 및 방법과 조합을 이루어 사용될 수 있으며, 본원에 기재된 바와 같은 시스템 및 방법으로만 실시하는 것에 국한되지 않는다. 오히려, 예시적인 실시형태는 그 밖의 많은 열 용례와 관련하여 구현 및 이용될 수 있다.
본 발명의 여러 실시형태의 특정 피처가 일부 도면에 도시되어 있고 나머지 도면에 도시되어 있지 않을 수 있지만, 이는 단지 편의상 그러한 것이다. 본 발명의 원리에 따르면, 어느 한 도면의 임의의 피처는, 임의의 다른 도면의 임의의 피처와 함께 참조 및/또는 청구될 수 있다.
본 명세서는, 본 발명을 가장 바람직한 유형을 포함해 개시하고, 임의의 당업자가 개시된 본 발명을 실시할 수 있게 하기 위해, 실시예를 사용하고 있는데, 상기 실시에는 임의의 디바이스 또는 시스템을 제작하고 사용하는 것과, 임의의 수반되는 방법을 행하는 것 등이 있다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 정해지며, 당업자에게 떠오르는 다른 예도 포함할 수 있다. 이러한 다른 실시예는, 청구범위의 문자 그대로의 표현과 다르지 않은 구조 요소를 갖는다면, 또는 청구범위의 문자 그대로의 표현과 실질적으로 차이가 없는 등가의 구조 요소를 갖는다면, 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 되어 있다.

Claims (20)

  1. 증기 터빈(100)으로서,
    하우징(124)으로서, 주 증기 흐름(138)을 상기 하우징(124) 내로 방출하도록 구성되어 있는 입구를 구비하는 하우징(124);
    상기 하우징(124)에 연결되어 있는 스테이터(126);
    상기 하우징(124)에 연결되어 있고 상기 스테이터(126) 내에 위치해 있는 로터(114)로서, 로터 휠 공간(164)을 포함하며, 상기 로터(114)와 상기 스테이터(126)는 이들 사이에 주 유로(130)를 획정하고, 상기 주 유로(130)는 상기 주 증기 흐름(138)과 유통 관계에 있는 것인 로터(114);
    상기 하우징(124)에 연결되어 있고 패킹 헤드(154)와 복수의 시일(166)을 포함하는 시일 어셈블리(148)로서, 상기 패킹 헤드(154)는, 상기 로터 휠 공간(164)에서 상기 로터(114)와 유통 관계에 있는 냉각 유로(156)를 획정하고, 상기 냉각 유로(156)는 냉각 증기의 흐름을 상기 로터 휠 공간(164)을 향해 방출하도록 구성되어 있는 것인 시일 어셈블리(148); 및
    상기 로터 휠 공간(164)과 상기 패킹 헤드(154) 사이에서 상기 시일 어셈블리(148)에 연결되어 있는 스월-방지 디바이스(186)
    를 포함하고,
    상기 복수의 시일(166)은 상기 냉각 증기의 흐름에 관하여 상류측 시일과 하류측 시일을 포함하고, 상기 스월-방지 디바이스(186)는 상기 냉각 유로(156) 내에서 상기 로터 휠 공간(164)과 상기 하류측 시일의 사이에 배치되어 있는 것인 증기 터빈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스월-방지 디바이스(186)는 상기 냉각 유로(156) 내에 위치해 있는 것인 증기 터빈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 시일(166)은 상기 냉각 증기의 흐름에 관하여 상류측 시일과 하류측 시일을 포함하고, 상기 스월-방지 디바이스(186)는 상기 하류측 시일에 연결되어 있는 것인 증기 터빈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 스월-방지 디바이스(186)는 상기 하류측 시일에 연결된 베인(188)을 포함하는 것인 증기 터빈.
  5. 삭제
  6. 증기 터빈(100)으로서,
    하우징(124)으로서, 주 증기 흐름(138)을 상기 하우징(124) 내로 방출하도록 구성되어 있는 입구를 구비하는 하우징(124);
    상기 하우징(124)에 연결되어 있는 스테이터(126);
    상기 하우징(124)에 연결되어 있고 상기 스테이터(126) 내에 위치해 있는 로터(114)로서, 로터 휠 공간(164)을 포함하며, 상기 로터(114)와 상기 스테이터(126)는 이들 사이에 주 유로(130)를 획정하고, 상기 주 유로(130)는 상기 주 증기 흐름(138)과 유통 관계에 있는 것인 로터(114);
    상기 하우징(124)에 연결되어 있고 패킹 헤드(154)와 복수의 시일(166)을 포함하는 시일 어셈블리(148)로서, 상기 패킹 헤드(154)는, 상기 로터 휠 공간(164)에서 상기 로터(114)와 유통 관계에 있는 냉각 유로(156)를 획정하고, 상기 냉각 유로(156)는 냉각 증기의 흐름을 상기 로터 휠 공간(164)을 향해 방출하도록 구성되어 있는 것인 시일 어셈블리(148); 및
    상기 로터 휠 공간(164)과 상기 패킹 헤드(154) 사이에서 상기 시일 어셈블리(148)에 연결되어 있는 스월-방지 디바이스(186)
    를 포함하고,
    상기 스월-방지 디바이스(186)는 베인(188)과 상기 베인(188)에 연결된 스프링-부하 디바이스(194)를 포함하고, 상기 스프링-부하 디바이스(194)는 상기 베인(188)을 상기 냉각 유로(156) 내에서 제1 위치(191)와 제2 위치(193) 사이로 이동시키도록 구성되어 있는 것인 증기 터빈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 스월-방지 디바이스(186)는 변류기(208)를 포함하는 것인 증기 터빈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 스월-방지 디바이스(186)는 스프링-부하 브러시(202)를 포함하는 것인 증기 터빈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 스월 방지 디바이스(186)는 냉각 증기 흐름의 스월(184)을 감소시키도록 구성되어 있는 것인 증기 터빈.
  10. 제1항에 있어서, 상기 스월 방지 디바이스(186)는 냉각 증기 흐름의 속도를 감소시키도록 구성되어 있는 것인 증기 터빈.
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