KR102545920B1 - 터빈을 위한 팁 밸런스 슬릿 - Google Patents

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브라이언 로버트 할러
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필립 데이비드 헴슬리
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 출원은 터빈을 위한 제어식 팁 밸런스 슬릿(200)을 제공한다. 터빈을 위한 예시적인 누설 유동 제어 시스템(110)은 팁 슈라우드(tip shroud)(152)를 갖는 유동 러너(runner)(150); 다이어프램 또는 가이드 블레이드(130); 다이어프램에 결합되고 팁 슈라우드(152)에 인접하게 위치된 연장 링(160); 및 팁 밸런스 슬릿(tip balance slit)(200)을 포함할 수 있다.

Description

터빈을 위한 팁 밸런스 슬릿
본 출원 및 결과적인 특허는 대체적으로 임의의 유형의 축방향 유동 터빈에 관한 것으로, 더 구체적으로는 증기 터빈을 위한 팁 밸런스 슬릿(tip balance slit)에 관한 것이다.
대체적으로 설명하면, 증기 터빈 등은 증기 입구, 터빈 섹션, 및 증기 출구를 포함하는 한정된 증기 경로를 가질 수 있다. 증기 경로 외부로의 증기 누설, 또는 더 높은 압력의 영역으로부터 더 낮은 압력의 영역으로의 증기 경로 내로의 증기 누설은 증기 터빈의 작동 효율에 악영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 회전 샤프트와 원주방향으로 둘러싸는 터빈 케이싱 사이의 증기 터빈에서의 증기 경로 누설은 증기 터빈의 전체 효율을 저하시킬 수 있다.
증기는 대체적으로, 전형적으로 제1 스테이지 가이드(stage guide) 및 블레이드(blade)(또는 노즐 및 버킷(bucket))를 통해 그리고 후속하여 터빈의 더 뒤의 스테이지의 가이드 및 블레이드를 통해 직렬로 배치되는 다수의 터빈 스테이지를 통해 유동할 수 있다. 이러한 방식으로, 가이드는 각각의 블레이드를 향해 증기를 지향시켜, 블레이드가 회전하게 하고 발전기 등과 같은 부하를 구동시킬 수 있다. 증기는 블레이드를 둘러싸는 원주방향 슈라우드(shroud)에 의해 포함될 수 있고, 이는 또한 증기를 경로를 따라 지향시키는 것을 도울 수 있다. 이러한 방식으로, 터빈 가이드, 블레이드, 및 슈라우드는 증기로 인한 고온에 노출될 수 있고, 이는 이들 구성요소 내의 핫 스폿(hot spot) 및 높은 열 응력의 형성을 야기할 수 있다. 증기 터빈의 효율이 그의 작동 온도에 좌우되기 때문에, 고장 또는 유효 수명의 감소 없이 점점 더 높은 온도를 견딜 수 있는, 증기 또는 고온 가스 경로를 따라 위치된 구성요소에 대한 요구가 계속된다.
일부 경우에, 증기의 메인스트림 유동 경로로부터의 누설 유동은 터빈 엔진의 구성요소들 사이의 갭을 통해 유동할 수 있다. 그러한 누설 유동은 터빈 효율을 감소시킬 수 있고, 혼합 손실, 메인스트림 유동의 분열, 후속 블레이드 행(row)으로의 입사, 및/또는 다른 손실을 야기할 수 있다.
미국 공개특허공보 2016/0281518호
본 출원 및 결과적인 특허는 터빈을 위한 누설 유동 제어 시스템을 제공한다. 예시적인 누설 유동 제어 시스템은 팁 슈라우드(tip shroud)를 갖는 유동 러너(runner); 다이어프램(diaphragm); 다이어프램에 결합되고 팁 슈라우드에 인접하게 위치된 연장 링; 및 팁 밸런스 슬릿(tip balance slit)을 포함할 수 있다.
본 출원 및 결과적인 특허는 터빈 내의 누설 유동을 제어하는 방법을 추가로 제공한다. 본 방법은 터빈의 제1 연장 링과 팁 슈라우드 사이에 팁 누설 제트를 지향시키는 단계, 팁 누설 제트를 다이어프램 둘레로 지향시키는 단계, 팁 누설 제트를 제2 연장 링 사이의 갭 내로 지향시키는 단계, 및 팁 누설 제트를 제2 연장 링에 형성된 팁 밸런스 슬릿을 통해 지향시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 출원 및 결과적인 특허는 누설 유동 제어 시스템을 갖는 증기 터빈을 추가로 제공한다. 증기 터빈은 제1 팁 슈라우드를 갖는 제1 유동 러너, 제2 팁 슈라우드를 갖고 제1 유동 러너의 하류에 있는 제2 유동 러너, 다이어프램, 제1 유동 러너로부터 제2 유동 러너까지의 다이어프램의 적어도 일부분 둘레의 유동 경로, 및 유동 경로의 하류에 있는 팁 밸런스 슬릿을 포함할 수 있고, 팁 밸런스 슬릿은 유동 경로로부터 제2 유동 러너 근처의 메인스트림 유동으로 팁 누설 제트를 도입시키도록 구성된다.
본 출원 및 결과적인 특허의 이들 및 다른 특징 및 개선은 몇몇 도면 및 첨부된 청구범위와 함께 취해질 때 하기의 상세한 설명의 검토 시 당업자에게 명백해질 것이다.
도 1은 증기 터빈의 개략도이다.
도 2는 도 1의 증기 터빈에 사용될 수 있는 바와 같은 터빈의 일부분의 개략도로서, 다양한 터빈 구성을 도시한다.
도 3은 하나 이상의 실시예에 따른, 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 팁 밸런스 슬릿을 갖는 누설 유동 제어 시스템을 갖는 터빈의 일부분의 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 하나 이상의 실시예에 따른, 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 팁 밸런스 슬릿을 갖는 누설 유동 제어 시스템을 갖는 터빈의 일부분의 개략도이다.
도 5는 하나 이상의 실시예에 따른, 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 팁 밸런스 슬릿을 갖는 누설 유동 제어 시스템을 갖는 터빈의 일부분의 개략도이다.
몇몇 도면 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호가 동일한 요소를 지칭하는 도면을 이제 참조하면, 도 1은 증기 터빈(10)의 일례의 개략도를 도시한다. 대체적으로 설명하면, 증기 터빈(10)은 고압 섹션(15) 및 중간압 섹션(20)을 포함할 수 있다. 회전자 휠이 섹션(15, 20)을 통해 연장될 수 있다. 다른 섹션에서의 다른 압력이 또한 본 명세서에서 사용될 수 있다. 외부 쉘 또는 케이싱(25)은 상부 반부 섹션(30) 및 하부 반부 섹션(35)으로 축방향으로 분할될 수 있다. 케이싱(25)의 중심 섹션(40)은 고압 증기 입구(45) 및 중간압 증기 입구(50)를 포함할 수 있다. 케이싱(25) 내에서, 고압 섹션(15) 및 중간압 섹션(20)은 회전자 또는 디스크(55) 주위에 배열될 수 있다. 디스크(55)는 다수의 베어링(60)에 의해 지지될 수 있다. 증기 밀봉 유닛(65)이 각각의 베어링(60)의 내측에 위치될 수 있다. 환형 섹션 구동기(70)가 중심 섹션(40)으로부터 디스크를 향해 반경방향 내향으로 연장될 수 있다. 구동기(70)는 다수의 패킹 케이싱(75)을 포함할 수 있다. 다른 구성요소 및 다른 구성이 사용될 수 있다.
작동 동안, 고압 증기 입구(45)는 증기 공급원으로부터 고압 증기를 수용한다. 증기는 디스크(55)의 회전에 의해 증기로부터 일이 추출되도록 고압 섹션(15)을 통해 경로설정(route)될 수 있다. 증기는 고압 섹션(15)을 빠져나가고, 이어서 재가열을 위해 증기 공급원으로 복귀될 수 있다. 이어서, 재가열된 증기는 중간압 섹션 입구(50)로 재경로설정될 수 있다. 증기는 고압 섹션(15)에 진입하는 증기와 비교할 때 감소된 압력으로 그러나 고압 섹션(15)에 진입하는 증기의 온도와 대략 동일한 온도로, 중간압 섹션(20)으로 복귀될 수 있다. 따라서, 고압 섹션(15) 내의 작동 압력은 중간압 섹션(20) 내의 작동 압력보다 높을 수 있어서 고압 섹션(15) 내의 증기가 고압 섹션(15)과 중간압 섹션(20) 사이에서 발생할 수 있는 누설 경로를 통해 중간압 섹션(20)을 향해 유동하는 경향이 있도록 한다. 하나의 그러한 누설 경로는 패킹 케이싱(75)을 통해 디스크 샤프트(55) 주위로 연장될 수 있다. 다른 누설이 증기 밀봉 유닛(65)을 가로질러 그리고 다른 곳에서 발생할 수 있다. 소정 실시예의 문맥에서 논의되지만, 본 발명의 다른 실시예는 터빈 구성의 다른 방법, 예컨대, 드럼 회전자 구성을 갖는 반작용 기술 블레이딩(Reaction Technology Blading, RTB), 또는 가이드 및 밀봉부가 케이싱 내에 직접 장착될 수 있는 경우와 함께 사용될 수 있다.
도 2는 증기 터빈(10)의 일부분의 다양한 구성의 개략도를 도시한다. 증기 터빈(10)은 임펄스 구성(80)을 가질 수 있다. 임펄스 구성을 갖는 터빈은 낮은 루트(root) 반작용, 및 디스크 및 다이어프램 구성을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 임펄스 구성(80)은 서로 인접한 가이드 및 러너를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 터빈(10)은 반작용 기술 블레이딩(90)을 가질 수 있다. 반작용 기술 블레이딩(90)은 반작용 드럼 구성을 가질 수 있고, 러너를 갖는 하나 이상의 도브테일(dovetail)을 포함할 수 있다. 도브테일은 각각의 러너를 드럼에 고정시키는 데 사용될 수 있다. 소정의 실시예는 임펄스 및 반작용 기술 블레이딩과 함께 사용될 수 있다. 다른 실시예는 상이한 구성을 가질 수 있다.
도 3은 본 명세서에서 사용될 수 있는 바와 같은 누설 유동 제어 시스템(110)을 갖는 증기 터빈(100)의 일부분의 개략도를 도시한다. 누설 유동 제어 시스템(110)은 증기 터빈(100)의 하나 이상의 구성요소를 통한 누설 유동을 제한하는 데 사용될 수 있다. 누설 유동 제어 시스템(110)은 외부 케이싱(120) 또는 다이어프램(130) 주위에, 또는 다른 곳에 사용될 수 있다.
증기 터빈(100)은 터빈(100)의 상이한 스테이지들을 위한 다수의 유동 가이드(140) 및 다수의 블레이드 또는 유동 러너(150)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도시된 유동 러너(150)는 제1 스테이지 러너일 수 있고, 도시된 유동 가이드(140)는 제1 스테이지 가이드일 수 있다. 유동 가이드(140) 및 유동 러너(150)는 디스크 또는 드럼에 결합될 수 있다. 임의의 개수의 스테이지 및/또는 가이드 및 러너가 포함될 수 있다.
유동 러너(150)들 중 하나 이상, 또는 각각은 팁, 블레이드, 및 루트를 포함할 수 있다. 루트는 러너를 터빈(100)의 디스크 또는 드럼에 결합하도록 구성될 수 있다. 블레이드는 루트와 팁 사이에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 팁 슈라우드(152)가 유동 러너(150)의 팁에 결합되거나 달리 그에 형성될 수 있다.
다이어프램(130)은 터빈 케이싱(120) 내의 압력 스테이지 앞에 격벽을 형성할 수 있다. 다이어프램(130)은 스테이지들 사이에 노즐 및/또는 밀봉부를 유지할 수 있다. 다이어프램(130)은 플랫폼 다이어프램일 수 있다. 연장 링(160)이 다이어프램(130)의 일부분에 결합되거나 달리 그에 부착될 수 있다. 연장 링(160)은 유동 러너(150)의 팁 슈라우드(152)에 인접하게 위치될 수 있다. 연장 링(160)은 연장 링(160)으로부터 팁 슈라우드(152)를 향해 연장되는 다수의 밀봉 핀(fin)(162)을 포함할 수 있다.
갭(170)이 연장 링(160)의 밀봉 핀(162)과 유동 러너(150)의 팁 슈라우드(152) 사이에 형성될 수 있다. 갭(170)은 터빈(100)의 작동 동안 유동 러너(150)의 이동을 위한 간극을 생성하도록 형성될 수 있다. 작동 동안, 팁 누설 제트(180)와 같은 누설 유동이 터빈(100)의 일부분을 통해 유동할 수 있다. 팁 누설 제트(180)는 메인스트림 유동(190)의 일부분일 수 있다. 예를 들어, 팁 누설 제트(180)는 밀봉 핀(162) 및/또는 연장 링(160)의 다른 부분과 유동 러너(150) 사이의 갭(170)을 통해 유동할 수 있다.
팁 누설 제트(180)는 터빈(100)의 효율 및/또는 성능의 감소를 야기할 수 있다. 팁 누설 제트(180)는 갭(170)을 통해 유동할 수 있고, 메인스트림 유동(190)으로 재진입할 수 있다. 그러나, 팁 누설 제트(180)는 메인스트림 유동을 방해하고 누설과 메인스트림 유동 사이의 혼합 손실을 야기할 수 있다. 팁 누설 제트(180)는 또한 엔트로피를 증가시키고 하류 블레이드 행으로의 입사를 증가시킬 수 있다.
누설 유동 제어 시스템(110)은 팁 누설 제트(180)에 의해 야기되는 손실을 감소시킬 수 있거나 제거할 수 있다. 도 3의 예에서, 누설 유동 제어 시스템(110)은 하나 이상의 팁 밸런스 슬릿(200)을 포함할 수 있다. 팁 밸런스 슬릿(200)은 다이어프램(130)에 또는 외부 케이싱(120)에 형성될 수 있다. 팁 밸런스 슬릿(200)은 팁 누설 제트(180)와 같은 유체가 유동하기 위한 통로를 형성하는 구멍, 슬릿, 또는 다른 개구일 수 있다. 팁 밸런스 슬릿(200)은 반경방향 외향 배향으로 다이어프램(130)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 팁 밸런스 슬릿(200)은 유체가 갭(180)으로부터 하류로 유동하기 위한 경사 경로를 생성하도록 형성될 수 있다. 따라서, 팁 밸런스 슬릿(200)은 팁 누설 제트(180)를 위한 하류 경로를 형성할 수 있다. 팁 밸런스 슬릿(200)은, 일례에서, 다이어프램의 일부분을 기계가공하거나 달리 제거함으로써 형성될 수 있고, 터빈(100) 주위에 원주방향 슬롯 또는 부분적인 원주방향 슬롯을 형성할 수 있다.
누설 유동 제어 시스템(110)은 팁 밸런스 슬릿(200)의 단부(212)에 챔버(210)를 포함할 수 있다. 챔버(210)는 팁 밸런스 슬릿(200)의 일부분일 수 있거나, 팁 밸런스 슬릿(200)과 유체 연통할 수 있다. 챔버(210)는 팁 밸런스 슬릿(200)보다 크기 및/또는 직경이 더 클 수 있다. 누설 유동 제어 시스템(110)은 팁 누설 제트(180)를 메인스트림 유동(190)으로 재도입시키도록 구성된, 챔버 및/또는 팁 밸런스 슬릿(200)과 연통하는 팁 밸런스 슬릿 출구(220)를 포함할 수 있다. 팁 밸런스 슬릿 출구(220)는 팁 밸런스 슬릿(200)과 동일한 각 또는 배향으로, 또는 그와 상이한 각 또는 배향으로 경사질 수 있거나 배향될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 팁 밸런스 슬릿 출구(220)는 메인스트림 유동(190)에 대해 또는 그에 대해 부분적으로 경사질 수 있다.
하나 이상의 팁 밸런스 구멍 또는 슬릿(200)을 갖는 누설 유동 제어 시스템(110)은 팁 누설 제트(180)를 다이어프램(130) 주위로 안내할 수 있고, 터빈 슈라우드 내로 양의 일(positive work)을 투입하고 증기 피복(blanketing) 또는 밀봉 효과를 제공할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 명세서에 기재된 바와 같은 누설 유동 제어 시스템(300)의 다른 실시예를 도시한다. 도 4에서, 터빈(310)은 제1 슈라우드(322)를 갖는 제1 유동 러너(320), 제2 슈라우드(332)를 갖는 제2 유동 러너(330), 및 제3 슈라우드(342)를 갖는 제3 유동 러너(340)를 포함할 수 있다. 터빈(310)은 반작용 기술 블레이딩 구성을 가질 수 있다. 터빈(310)은 제1 유동 러너(320)와 제2 유동 러너(330) 사이의 제1 다이어프램(350), 및 제2 유동 러너(330)와 제3 유동 러너(340) 사이의 제2 다이어프램(360)을 포함할 수 있다. 제2 유동 러너(330)는 제1 유동 러너(320)에 대응하는 터빈 스테이지보다 상대적으로 낮은 압력을 갖는 터빈 스테이지에 대응할 수 있다. 유사하게, 제3 유동 러너(340)는 제2 유동 러너(330)에 대응하는 터빈 스테이지보다 상대적으로 낮은 압력을 갖는 터빈 스테이지에 대응할 수 있다. 제2 유동 러너(330)는 제1 유동 러너(320)의 하류에 있을 수 있고, 제3 유동 러너(340)는 제2 유동 러너(330)의 하류에 있을 수 있다.
터빈(310)은 제1 팁 슈라우드(322)에 인접하게 제1 다이어프램(350)에 결합될 수 있는 제1 연장 링(370)을 포함할 수 있다. 제2 연장 링(380)이 제2 팁 슈라우드(332)에 인접하게 제2 다이어프램(360)에 결합될 수 있다. 팁 누설 제트(390)가 제1 연장 링(370)과 제1 팁 슈라우드(322) 사이의 갭(400)을 통해 유동할 수 있다.
누설 유동 제어 시스템(300)은 제1 다이어프램(350)의 적어도 일부분을 통한 유동 경로(410)를 포함할 수 있다. 유동 경로(410)는 제1 다이어프램(350) 둘레로 연장될 수 있고, 터빈(310) 내의 구성요소들 사이의 개구 또는 갭일 수 있다. 구체적으로, 유동 경로(410)는, 일례에서, 제1 유동 러너(320)로부터 제2 유동 러너(330)로, 또는 제1 유동 러너(320) 및 제2 유동 러너(330) 중 어느 하나 또는 둘 모두에 인접한 영역으로 연장될 수 있다. 유동 경로(410)는 완전한 360도 엔트리(entry)를 가질 수 있다.
유동 경로(410)의 일부 또는 전부는 파쇄 페그(crushing peg), 기둥, 슬릿, 또는 이들의 조합 중 하나 이상에 의해 형성될 수 있다. 파쇄 페그 등은 다이어프램 헤드를 위치시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 추가 갭, 슬릿, 또는 구멍이 파쇄 페그, 기둥 등을 사용하여 하나 이상의 터빈 구성요소에 형성될 수 있다. 유동 경로의 일부분은 제1 팁 밸런스 슬릿을 형성할 수 있는, 가이드의 압력 면(470) 상의 갭을 따라 또는 그에 의해 형성될 수 있는 반면, 다른 실시예에서, 팁 누설 유동을 위한 출구(480)를 제공하기 위해 러너에 인접한 연장 링에 유체 밀봉부가 사용될 수 있다. 일부 실시예는 이들 구성의 하나 또는 나머지, 또는 둘 모두를 사용할 수 있다.
유동 경로(410)는 제2 연장 링(380)과 케이싱 및/또는 다이어프램 사이의 공간 또는 챔버(420)와 유체 연통할 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 연장 링(380)은 팁 누설 제트(390)를 메인스트림 유동 내로 재도입시키기 위해 단축되거나 달리 변형될 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 연장 링(380)의 하류 섹션은 케이싱(예컨대, 스프링 배킹된 글랜드(spring backed gland) 등) 내에 위치될 수 있거나, 다이어프램 상에서 하류에 위치될 수 있다. 다이어프램 상에서 하류에 위치된 경우, 팁 누설 슬롯은 공간으로부터 팁 누설 유동(390)을 추출하는 데 사용될 수 있다.
구체적으로, 터빈(310)은 제1 다이어프램(350)과 제2 연장 링(380) 사이에 갭(415)을 포함할 수 있다. 팁 누설 제트(390)의 적어도 일부분은 유동 경로(410)를 통해 갭(415) 내로 유동할 수 있다.
유체 밀봉부(460)가 갭(415) 내에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 유체 밀봉부(460)는 팁 밸런스 슬릿의 단부에 또는 갭(415)의 하류 섹션에 그리고/또는 터빈의 외부 케이싱에 위치될 수 있다. 유체 밀봉부(460)는 누설 유동이 연장 링 뒤로 지나가는 것을 방지하도록 위치될 수 있다. 유체 밀봉부(460)는 누설 유동 손실을 감소시킬 수 있고, 소정 고장에 덜 취약할 수 있다.
유동 경로(410)는 누설 유동이 제1 다이어프램(350)을 가로질러 지나가도록 하는 데 사용될 수 있다. 팁 누설 제트(390)는 유동 경로(410) 내로, 제1 다이어프램(350) 둘레로, 그리고 제2 연장 링(380)과 다이어프램 또는 케이싱 사이의 공간 내로 유동할 수 있다.
하나 이상의 팁 밸런스 슬릿(430)이 제2 연장 링(380)에 형성되어 공간으로부터 메인스트림 유동 내로 팁 누설 제트(390)를 재도입시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 팁 밸런스 슬릿(440)이 유동 경로(410)의 하류에 있을 수 있고, 팁 누설 제트(390)를 유동 경로(410)로부터 제2 유동 러너(330) 근처의 메인스트림 유동으로 도입시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 팁 밸런스 슬릿(440)이 경사진 팁 밸런스 슬릿일 수 있는 반면, 다른 실시예에서 제1 팁 밸런스 슬릿(440)은 직선 팁 밸런스 슬릿일 수 있다.
누설 유동 제어 시스템(400)은 제1 팁 밸런스 슬릿(440)에 인접하게 위치되는 경사진 팁 밸런스 슬릿(450)일 수 있는 제2 팁 밸런스 슬릿을 포함할 수 있다. 경사진 팁 밸런스 슬릿(450)은 연장 링에 형성될 수 있고, 메인 스트림 유동에 대항하여 팁 누설 제트를 재도입시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 경사진 팁 밸런스 슬릿(450)은 팁 누설 유동(390)의 일부분을 상류로, 또는 메인스트림 유동에 대항하여 지향시키도록 경사질 수 있다. 경사진 팁 밸런스 슬릿(450)은 제1 팁 밸런스 슬릿(440)의 하류에 있을 수 있다.
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따라서, 누설 유동 제어 시스템(400)은 팁 누설 유동을 수용하고, 슈라우드 상으로 유동을 선회시켜 풍손(windage loss)을 최소화하고, 증기 피복 효과를 제공할 수 있다. 스테이지 효율 이득이 발생할 수 있다.
도 5에서, 증기 터빈(500)의 일부분이 누설 유동 제어 시스템(510)과 함께 도시되어 있다. 누설 유동 제어 시스템(510)은 연장 링(530)에 하나 이상의 경사진 슬롯(520)을 포함할 수 있다. 연장 링(530)은 단축된 그리고/또는 단순화된 연장 링일 수 있다. 밀봉 특징부는 메인스트림 유동과의 상호작용을 제한하기 위해 상류 및/또는 하류 다이어프램 상에 포함될 수 있다. 스프링 배킹된 밀봉부(540)가 케이싱 내에 위치될 수 있는데, 이는 케이싱 뒤틀림으로 인한 약간 증가된 간극을 야기하지만, 스테이지 효율의 손실 및 이득의 전체적인 감소를 야기할 수 있다.
터빈 내의 누설 유동을 제어하는 방법은 터빈의 제1 연장 링과 팁 슈라우드 사이에 팁 누설 제트를 지향시키는 단계, 팁 누설 제트를 다이어프램 둘레로 지향시키는 단계, 팁 누설 제트를 제2 연장 링 사이의 갭 내로 지향시키는 단계, 및 팁 누설 제트를 제2 연장 링에 형성된 팁 밸런스 슬릿을 통해 지향시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서에 기재된 누설 유동 제어 시스템의 결과로서, 증기 터빈에 대한 스테이지 효율 이득은, 감소된 혼합 손실 및 감소된 후속 블레이드 행에서의 2차 손실/그로의 입사와 함께, 약 0.50%일 수 있다. 소정 실시예가 기존의 증기 터빈을 개량하는 데 사용될 수 있다. 소정 실시예는 터빈 슈라우드 내로 양의 일을 투입하는 하나 이상의 팁 밸런스 슬릿 또는 구멍을 포함할 수 있고, 증기 피복 또는 밀봉 효과를 제공할 수 있다. 따라서, 누설 유동 제어 시스템은, 기계적 신뢰성을 유지하거나 개선시키면서 그리고 증기 터빈의 비용 또는 복잡성을 증가시키지 않고서, 스테이지 효율을 개선할 수 있다. 방출물이 감소될 수 있다. 팁 밸런스 구멍은 메인스트림 유동의 수용을 방지할 수 있고, 그에 의해 터빈 전력 및/또는 출력을 증가시킬 수 있다. 소정의 실시예는 임펄스 및 반작용 기술 블레이딩과 함께 사용될 수 있다.
상기 내용은, 단지 본 출원 및 결과적인 특허의 소정 실시예에 관한 것임이 명백할 것이다. 하기의 청구범위 및 그의 등가물에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 대체적인 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고서 당업자에 의해 다수의 변형 및 변경이 본 명세서에서 이루어질 수 있다.

Claims (14)

  1. 증기 터빈을 위한 누설 유동 제어 시스템(110)으로서,
    제1 팁 슈라우드(tip shroud)(152)를 갖는 제1 로터 블레이드(150);
    제2 팁 슈라우드를 갖고, 상기 터빈을 통하는 메인스트림 유동(190)의 방향으로 상기 제 1 로터 블레이드(150)의 하류에 위치된 제2 로터 블레이드;
    상기 제1 로터 블레이드(150)의 하류에 있고 상기 제2 로터 블레이드의 상류에 있는 다이어프램(diaphragm)(130) 또는 유동 가이드(guide)(140);
    상기 다이어프램(130) 또는 상기 유동 가이드(140)에 결합되고 상기 제1 팁 슈라우드(152)에 인접하게 위치된 연장 링(160)으로서, 상기 연장 링(160)과 상기 제1 팁 슈라우드(152)는, 작동 동안 팁 누설 제트(180)가 통과하여 흐르는 갭(170)을 사이에 형성하는, 상기 연장 링(160); 및
    상기 다이어프램(130) 또는 상기 유동 가이드(140) 내에 적어도 부분적으로 형성되고, 누설 유동 경로를 적어도 부분적으로 한정하며, 상기 갭(170)으로부터 상기 팁 누설 제트(180)를 수용하기 위해 상기 갭(170)과 연통하고, 상기 제1 로터 블레이드(150)로부터 상기 제2 로터 블레이드로 연장되는 상기 팁 누설 제트(180)를 위한 하류 경로를 형성하는 팁 밸런스 슬릿(tip balance slit)(200); 및
    상기 팁 밸런스 슬릿(200) 또는 상기 팁 밸런스 슬릿(200)의 단부(212)에 있는 챔버(210)와 연통하며, 상기 팁 누설 제트(180)를 상기 제2 로터 블레이드 근처의 메인스트림 유동(190)으로 재도입시키도록 구성된 팁 밸런스 슬릿 출구(220)를 포함하고, 상기 팁 밸런스 슬릿 출구(220)는 상기 메인스트림 유동(190)에 대해 적어도 부분적으로 경사지며, 상기 제2 로터 블레이드의 제2 팁 슈라우드 상으로 상기 팁 누설 제트(180)를 선회시켜 풍손(windage loss)을 최소화하고 증기 피복 효과를 제공하기 위해 상기 팁 누설 제트(180)를 상기 다이어프램(130) 또는 상기 유동 가이드(140)와 상기 제2 로터 블레이드 사이의 공간을 향해 안내하도록 구성되는, 누설 유동 제어 시스템(110).
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  3. 제1항에 있어서, 상기 챔버(210)는 상기 다이어프램(130) 또는 상기 유동 가이드(140)의 하류 섹션에 위치되는, 누설 유동 제어 시스템(110).
  4. 제1항에 있어서,
    상기 팁 누설 제트(180)가 상기 다이어프램(130) 또는 상기 유동 가이드(140) 둘레의 상기 누설 유동 경로를 통해 유동하고;
    상기 팁 누설 제트(180)의 적어도 일부분은 상기 갭(170)을 통해 그리고 상기 누설 유동 경로 내로 유동하는, 누설 유동 제어 시스템(110).
  5. 제4항에 있어서, 상기 누설 유동 경로의 적어도 일부분은 파쇄 페그(crushing peg), 기둥, 슬릿(200), 또는 이들의 조합 중 하나 이상에 의해 형성되는 개구를 포함하는, 누설 유동 제어 시스템(110).
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 갭(170) 내에 위치된 유체 밀봉부(162)를 추가로 포함하는, 누설 유동 제어 시스템(110).
  7. 제6항에 있어서, 상기 연장 링(160)에 형성된 경사진 팁 밸런스 슬릿을 추가로 포함하고, 상기 경사진 팁 밸런스 슬릿은 상기 팁 누설 제트(180)를 상기 메인스트림 유동(190)에 대해 재도입시키도록 구성되는, 누설 유동 제어 시스템(110).
  8. 삭제
  9. 제1항 및 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연장 링(160)은 복수의 밀봉 핀(fin)(162)을 포함하는, 누설 유동 제어 시스템(110).
  10. 증기 터빈(310)으로서,
    누설 유동 제어 시스템(300)을 포함하고, 상기 누설 유동 제어 시스템(300)은,
    제1 팁 슈라우드(322)를 갖는 제1 로터 블레이드(320);
    상기 터빈을 통하는 메인스트림 유동의 방향으로 상기 제1 로터 블레이드(320)의 하류에 제2 팁 슈라우드(332)를 갖는 제2 로터 블레이드(330);
    상기 제1 로터 블레이드(320)와 상기 제2 로터 블레이드(330) 사이에 배치된 다이어프램(350);
    상기 제1 로터 블레이드(320)로부터 상기 제2 로터 블레이드(330)까지의 상기 다이어프램(350)의 적어도 일부분 둘레의 유동 경로(410);
    상기 제2 로터 블레이드(330)의 하류에 상기 제2 팁 슈라우드(332)에 인접하게 위치된 연장 링(380);
    상기 연장 링(380)과 상기 다이어프램(350) 사이의 갭(415)으로서, 상기 유동 경로(410)로부터 팁 누설 제트(390)를 수용하기 위해 상기 유동 경로(410)와 연통하는 상기 갭(415); 및
    상기 유동 경로(410)와 유체 연통하고 상기 연장 링(380) 내에 형성되어 상기 팁 누설 제트(390)를 상기 유동 경로(410)로부터 메인스트림 유동(190)에 대해 일정 각으로 또는 그에 대해 부분적으로 일정 각으로 상기 제2 로터 블레이드(330) 근처의 상기 메인스트림 유동(190)으로 도입시키는 하나 이상의 팁 밸런스 슬릿(430, 440, 450)을 포함하고,
    상기 팁 밸런스 슬릿들 중 하나(450)는, 풍손을 최소화하고 증기 피복 효과를 제공하기 위해 상기 제2 로터 블레이드(330)의 제2 팁 슈라우드(332) 상으로 상기 갭(415)으로부터의 팁 누설 제트(390)를 선회시키도록 메인스트림 방향에 대해 경사진, 증기 터빈(310).
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