KR19990077142A - 내부 냉각되는 증기 터빈 샤프트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 특히 하나의 공통 하우징(22)내에 배치된 조합형 고압/중간압 증기 터빈용 터빈 샤프트(1)에 관한 것이다. 터빈 샤프트(1)는 그것의 내부(4)에 냉각 증기(6)를 공급하기 위한 냉각관(5)을 갖는다. 냉각관(5)은 한편으로는 배출관(7)에 그리고 다른 한편으로는 공급관(8)에 연결된다. 이로 인해, 조합형 고압/중간압 증기 터빈의 터빈 샤프트(1)의 증기 냉각은 증기를 고압부로부터 공급관(8)을 통해 냉각관(5)으로 그리고 배출관(7)을 통해 중간압부(25)로 공급함으로써 이루어질 수 있다. 본 발명은 또한 증기 터빈 샤프트(1)의 냉각 방법에 관한 것이다.

Description

내부 냉각되는 증기 터빈 샤프트
증기 터빈의 효율 증대를 위해, 높은 압력 및 온도를 가진 증기가 사용된다. 이러한 증기 상태를 가진 증기의 사용은 증기 터빈에 대한 요구를 높인다. 낮은 출력 내지 중간 출력을 가진, 예컨대 300 MW 내지 600 MW의 증기 터빈에는 조합형 고압/중간압 터빈이 적합하다. 이 경우, 터빈 샤프트가 고압-작동 블레이드 및 중간압-작동 블레이드를 수용한다. 터빈 샤프트는 관련 가이드 블레이드를 포함하는 단 하나의 하우징내에 배치된다. 고압 및 중간압 블레이드가 하나의 공통 하우징내에 배치된 증기 터빈의 장점은 예컨대 복잡한 구성에도 불구하고 보다 짧은 터빈 길이 및 베어링의 생략에 있다. 공통 하우징은 수평으로 분할되며 서로 나사로 조여진 내부 하우징 및 외부 하우징을 포함할 수 있다. 고압 증기로 표현되는 신선한 증기 상태는 약 170 바아 및 540℃이다. 효율 증대와 관련해서 270 바아 및 600℃의 신선한 증기 상태가 요구된다. 고압 증기는 터빈 샤프트의 중간 영역에서 고압 블레이드에 공급되며 이것을 통해 배출부까지 흐른다. 이렇게 냉각된 증기는 보일러에 공급되어 거기서 재차 가열된다. 이하에서, 고압부의 끝에 있는 증기 상태는 차가운 중간 과열 상태로, 그리고 보일러를 벗어난 증기 상태는 뜨거운 중간 과열 상태로 표현한다. 보일러로부터 배출된 증기는 중간 압력 블레이드에 공급된다. 상기 증기 상태는 30 바아 내지 50 바아 및 540℃이다. 약 50 바아 내지 60 바아 및 600℃의 증기 상태로 상승이 요구된다. 특히 9 중량% 내지 12 중량%의 크롬 함량을 가진 크롬강으로 이루어진 터빈 샤프트 및 터빈 하우징을 제조하기 위해 지금까지 사용된 재료가 보다 높은 증기 상태에서의 요구에 어느 정도 적합한지는 부가의 조사를 필요로 할 것이다. 고압부 및 중간압부의 증기 유입 영역에서 작동 블레이드는 니켈을 기본으로 하는 합금으로 제조될 수 있다. 또한, 샤프트 차폐에 의해 터빈 샤프트를 증기와의 직접적인 접촉으로부터 보호하는 구조적 조치가 증기 유입 영역에서 이루어질 수 있다.
본 발명은 특히 고압 블레이드 및 중간압 블레이드를 수용하기 위한 증기 터빈 샤프트, 및 증기 터빈 샤프트를 냉각시키기 위한 방법에 관한 것이다.
도 1은 터빈 샤프트를 포함하는 하우징내의 조합형 고압/중간압 터빈의 종단면도이고,
도 2는 중간압부의 증기 유입영역에서 터빈 샤프트의 단면도이다.
본 발명의 목적은 특히 국부적으로 발생하는 높은 열 부하를 장기간 안정하게 견딜 수 있는 증기 터빈 샤프트를 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 증기 터빈 샤프트의 냉각 방법을 제공하는 것이다.
증기 터빈 샤프트에 관련한 상기 목적은 본 발명에 따라 회전 축선을 따라 연장된 표면을 가진 터빈 샤프트가 그것의 내부에 회전 축선의 방향으로 냉각 증기를 안내하기 위한 냉각관을 포함하며, 상기 냉각관은 한편으로는 냉각 증기를 샤프트 표면으로 공급하기 위해 샤프트 표면으로 뻗은 적어도 배출관에 연결되고 다른 한편으로는 냉각 증기를 냉각관으로 공급하기 위한 적어도 하나의 공급관에 연결됨으로써 달성된다.
터빈 샤프트의 내부에 뻗은 냉각관을 통해 냉각 증기가 회전 축선의 방향으로 터빈 샤프트를 통해 안내될 수 있고 배출관을 통해 샤프트 표면으로 안내될 수 있기 때문에, 심한 열부하를 받는 영역에서 터빈 샤프트의 내부 및 표면이 냉각될 수 있다. 냉각관은 회전 축선에 대해 경사지거나 또는 이것을 감도록 연장될 수 있으며, 회전 축선의 방향으로 냉각 증기의 이송을 가능하게 한다. 또한, 터빈 샤프트에 고정될 수 있는 작동 블레이드, 특히 블레이드 푸팅(footing)의 냉각이 이루어질 수 있다. 냉각관의 제조에 따라 배출관 및 공급관이 냉각관의 일부를 형성될 수 있다. 또한, 하나 이상의 냉각관이 제공될 수 있으며, 이 경우 냉각관이 서로 접속되고 하나 또는 다수의 배출관 또는 공급관에 접속될 수 있다. 마찬가지로, 회전 축선의 방향으로 인접한 다수의 배출관이 미리 정해질 수 있는 간격으로 배치되고 냉각관에 접속되는 것도 가능하다. 따라서, 심한 열 부하를 받는 샤프트 부분의 냉각이 파이프 라인, 하우징 통로 및 터빈 제어장치로의 결합에 대한 많은 비용 없이 이루어질 수 있다. 예컨대, 터빈 샤프트의 표면을 직접 냉각하기 위해, 차가운 증기를 외부로부터 하우징 및 가이드 블레이드를 통해 터빈 샤프트까지 이송해야 하는 경우에는 많은 구조적 비용이 필요할 것이다.
본 발명에 따른 터빈 샤프트는 증기 터빈의 조합형 고압/중간압 터빈 샤프트에 특히 적합한데, 그 이유는 증기 터빈의 중간압부의 증기 유입 영역이 터빈 설계시 임계 장소이기 때문이다. 고압부에 비해 중간압부에서 낮은 증기 압력으로 인해 현저히 더 많은 체적 흐름 및 더 큰 샤프트 직경 및 더 긴 블레이드가 필요하기 때문에, 중간압부에서 작동 블레이드 푸팅 및 샤프트의 기계적 열 부하가 고압부에서 보다 크다. 고압부와 중간압부에서 온도가 유사하기 때문에, 터빈 샤프트의 재료 특성값, 예컨대 장시간 파괴강도 및 충격 강도가 유사하며, 이로 인해 중간압부의 보다 높은 기계적 열 부하로 인해 중간압부가 고압부 보다 더 임계적인 것으로 평가된다. 이러한 문제점은 본 발명에 따른 터빈 샤프트에 의해, 터빈 샤프트 중간압부의 내부, 특히 샤프트 중심, 및 표면, 특히 작동 블레이드 푸팅 영역이 냉각 증기에 의해 냉각됨으로써 해결된다. 바람직하게는 냉각 증기가 고압부로부터 냉각관을 통해 중간압부내로 안내된다. 이 경우, 증기의 흐름은 고압부와 중간압부 사이의 압력차에 의해 이루어진다. 이러한 압력차는 예컨대 고압부의 증기 배출 영역과 중간압부의 증기 유입 영역 사이에서 4 바아 내지 6 바아이다. 냉각관 횡단면의 적합한 설계에 의해 증기 흐름이 조절될 수 있으므로, 증기 터빈의 넓은 출력 범위에 대해서도 충분한 냉각 출력이 보장된다.
냉각관은 바람직하게는 회전 축선에 대해 평행한 홀, 특히 중심 홀을 갖는다. 홀로 형성된 냉각관은 추후에도 특히 간단하며 정확하게 터빈 샤프트내에 형성될 수 있다. 홀는 바람직하게는 배출관과의 연결점 하류에서 특히 마개에 의해 폐쇄될 수 있다. 이로 인해, 공급관을 통해 유입된 냉각 증기가 배출관을 통해 완전히 터빈 샤프트로부터 다시 배출될 수 있다. 조합형 고압/중간압 터빈 샤프트에서 배출관(들)이 중간압부의 증기 유입영역의 작동 블레이드 근처에 놓임으로써, 특히 열부하를 받는 작동 블레이드의, 특히 블레이드 푸팅의 냉각이 이루어진다.
공급관은 바람직하게는 배출관과 마찬가지로 샤프트 표면을 냉각관에 연결시킨다. 이로 인해, 냉각 증기, 특히 증기 터빈의 증기가 터빈 샤프트 단부에 있는 샤프트 표면으로부터 터빈 샤프트의 내부를 통해 터빈 샤프트의 중심 영역내로 안내될 수 있다. 이것은 특히 조합형 고압/중간압 터빈 샤프트에서 바람직한데, 그 이유는 증기가 고압부의 증기 배출영역으로부터 중간압부의 증기 유입 영역내로 안내될 수 있기 때문이다.
공급관 및/또는 배출관이 바람직하게는 방사방향 홀이다. 이러한 홀은 터빈 샤프트의 제조 후에도 간단히 형성될 수 있고, 축방향 홀로 형성된 냉각관에 정확하게 연결될 수 있다. 홀의 직경 및 공급관 및 배출관용 다수의 홀의 수는 냉각을 위해 제공된 증기량에 따라 조절된다.
터빈 샤프트는 표면에 작동 블레이드의 수용을 위한 리세스를 포함한다. 배출관은 바람직하게는 상기 리세스 중 하나로 뻗는다. 리세스가 작동 블레이드의 푸팅 보다 약간 더 크기 때문에, 푸팅과 터빈 샤프트 사이에 공간이 형성되고, 상기 공간으로 작동 블레이드 푸팅 냉각용 증기가 유입될 수 있다. 상기 공간은 서로 및/또는 배출관에 연결된 채널로 형성될 수도 있다. 배출관이 뻗은 리세스로부터 바람직하게는 스터브가 터빈 샤프트의 표면으로 뻗는다. 이로 인해, 블레이드 푸팅의 냉각과 더불어 부가로 샤프트 표면의 냉각 및 그에 따라 외부로부터 터빈 샤프트의 냉각이 이루어진다. 이것은 특히 조합형 고압/중간압 터빈 샤프트의 중간압부의 증기 유입 영역에서 바람직하다. 이로 인해, 고압부의 영역에서, 고압부 및 중간압부 사이에 놓인 샤프트 시일의 영역에서 그리고 중간압부의 제 1 작동 블레이드 열의 블레이드 푸팅을 포함해서 중간압부의 특히 부하를 받는 증기 유입 영역에서 내부로부터 터빈 샤프트의 냉각이 이루어진다. 따라서, 터빈 샤프트는 고압부 및 중간압부가 하나의 공통 하우징내에 배치된 증기 터빈에 특히 적합하다. 배출관이 중간압-작동 블레이드의 증기 유입 영역내에 뻗으므로, 상기 영역에서 터빈 샤프트, 및 작동 블레이드 푸팅을 포함하는 작동 블레이드의 냉각이 이루어진다. 공급관은 바람직하게는 고압-작동 블레이드의 증기 배출 영역을 냉각관에 연결함으로써, 증기가 고압부의 증기 배출 영역으로부터 터빈 샤프트의 내부를 통해 중간압부내로 안내될 수 있다.
증기 터빈 샤프트를 냉각시키기 위한 방법에 관련한 전술한 목적은 고압 작동 블레이드 및 중간압 작동 블레이드를 지지하는 터빈 샤프트에 있어서, 증기가 고압 작동 블레이드의 증기 영역, 즉 고압부로부터 터빈 샤프트의 내부를 통해 중간압 작동 블레이드의 증기 유입영역으로 안내됨으로써 달성된다. 터빈 샤프트 내부에서 증기 흐름이 특히 홀로 구현되는 냉각관의 적합한 치수 설계에 의해 조절됨으로써, 넓은 출력 범위에 대해서도 충분한 냉각이 이루어진다.
증기 터빈의 부분 부하 영역에서도 고압부와 중간압부 사이의 압력차가 생기기 때문에, 부분 부하 영역에서도 방법의 완벽한 기능이 보장된다. 축방향의, 특히 중심 홀로 구현된 냉각관에 의해 터빈 샤프트의 내부에서 접선 응력이 경우에 따라 홀이 없는 터빈 샤프트에 비해 약 2배로 증가한다. 경우에 따라 존재하는 터빈 샤프트의 보다 높은 부하는 터빈 샤프트의 내부 냉각으로 인해 현저히 개선된 재료 특성에 의해 보상된다.
도면의 실시예를 참고로 터빈 샤프트 및 터빈 샤프트의 냉각 방법을 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
도 1에는 회전 축선(2)을 따라 연장된 터빈 샤프트(1)가 도시된다. 터빈 샤프트(1)는 내부 하우징(21)을 둘러싸는 외부 하우징(22)내에 배치된다. 터빈 샤프트(1)는 중간 영역(28)을 포함한다. 중간 영역(28)은 내부 하우징(21)과 함께 샤프트 시일(24)을 포함한다. 도 1에 따르면, 중간 영역(28)의 좌측에는 증기 터빈의 고압부(23)가 접속된다. 중간 영역(28)의 우측에는 증기 터빈의 중간압부(25)가 놓인다. 고압 블레이드(13)을 가진 고압부(23)는 샤프트 시일(24)에 직접 접속된 고압 증기 유입영역(27)을 갖는다. 유입되는 고압 증기는 상기 고압 증기 유입영역(27)으로부터 고압 블레이드(13)의 증기 영역(17)을 통해 흐르고 증기 배출영역(16)을 통해 외부 하우징(22)을 벗어나서 도시되지 않은 보일러로 흘러, 거기서 중간 과열된다. 중간 과열된 증기(6)는 샤프트 시일(24)의 우측에 직접 연결된 중간압부(25)의 증기 유입 영역(15)을 통해 다시 외부 하우징(22) 및 내부 하우징(21)에 이른다. 증기는 중간압부(25)의 증기 유입영역(15) 우측에 접속된 중간압 블레이드(14)를 통해 흐른다. 중간압 블레이드(14)에는 배출부(26)가 연결된다. 증기(6)은 배출부(26)를 통해 도시되지 않은 저압 증기터빈으로 안내될 수 있다. 증기(6)의 전술한 흐름은 화살표(29)로 표시된다.
터빈 샤프트(1)는 회전 축선(2)과 일치하는 중심 홀(5a)을 갖는다. 홀(5a)은 중간압부(25)를 통해 고압부(23)에까지 이른다. 중심 홀(5a)은 고압부(23)의 증기 배출영역(16)에서 다수의 공급관(8)을 통해 터빈 샤프트(1)의 표면(3)에 연결된다. 공급관(8)은 방사방향 홀(8a)로서 구현되며, 이것을 통해 "차가운" 증기가 고압부(23)로부터 중심 홀(5a)내로 유입될 수 있다. 중심 홀(5a)은 또한 중간압부(25)에서 제 1 작동 블레이드 열의 영역에서 다수의 배출관(7)에 연결된다. 배출관(7)은 작동 블레이드(11)을 수용하기 위한 샤프트 표면(3)의 리세스(10)로부터 중심 보어(5a)로 연장된다. 배출관(7)은 마찬가지로 방사방향으로 뻗은 홀(7a)이다. 배출관(7)의 하류에서 중심 홀(5a)은 마개(9)에 의해 밀폐된다. 따라서, 배출관(7)과 공급관(8) 사이에 놓인 홀(5a)의 부분이 냉각관(5)을 형성한다. 증기(6)는 고압부(23)로부터 냉각관(5)을 통해 중간압부(25)의 증기 유입영역(15)내로 흐른다. 상기 증기(6)가 증기 유입영역(15)내로 유입되는 중간 과열된 증기 보다 현저히 낮은 온도를 갖기 때문에, 중간압부(25)의 제 1 작동 블레이드 열 및 상기 작동 블레이드 열의 영역에 있는 샤프트 표면(3)의 효과적인 냉각이 이루어진다.
도 2는 중간압부(25)의 증기 유입영역(15)의 확대도이다. 적합한 작동 블레이드(11) 및 그것의 푸팅(18)은 터빈 샤프트(1)의 리세스(10)내에 배치된다. 리세스(10)는 블레이드 푸팅(18) 둘레에 채널(20)을 포함한다. 채널(20)은 한편으로는 회전 축선(2)에 대해 방사방향으로 연장된 배출관(7)에 연결되고 다른 한편으로는 스터브(12)에 연결된다. 스터브(12)가 리세스(10)로부터 샤프트 표면(3)으로 뻗기 때문에, 스터브(12)는 증기 터빈의 가이드 블레이드(19)에 마주 놓이게 된다. 고압부(23)으로부터 배출관(7)을 통해 흐르는 증기(6)는 리세스(10)의 채널(20)에 이르고, 그에 따라 리세스(10)내에 배치된 블레이드 푸팅(18)을 냉각시킨다. 증기(6)가 채널(20)로부터 스터브(12)를 통해 터빈 샤프트(1)의 표면(3)으로 흐르기 때문에, 회전 축선(2)의 방향으로 볼 때 서로 인접한 작동 블레이드(11) 사이의 샤프트 표면(3)을 냉각시킨다.
본 발명은 증기 터빈의 고압부의 작동 블레이드 및 중간압부의 작동 블레이드를 지지하는 터빈 샤프트를 특징으로 한다. 터빈 샤프트는 적어도 하나의 냉각관을 포함한다. 냉각관은 적어도 하나의 공급관을 통해 고압부에 연결되고 적어도 하나의 배출관을 통해 중간압부의 증기 유입 영역에 연결된다. 공급관, 냉각관 및 배출관은 터빈 샤프트 내부에서 가이드 시스템을 형성한다. 고압부로부터 나온 "차가운" 증기가 상기 가이드 시스템을 통해 기계적으로 높은 열 부하를 받는 중간압부의 증기 유입영역으로 안내될 수 있다. 이로 인해, 많은 구조적 비용 없이 매우 심한 부하를 받는 중간압부의 증기 유입 영역에서 작동 블레이드, 특히 작동 블레이드 푸팅, 및 터빈 샤프트 표면의 냉각이 이루어진다.

Claims (11)

  1. 회전 축선(2)을 따라 뻗고, 샤프트 표면(3)을 가지며, 그것의 내부(4)에 냉각 증기(6)를 회전 축선(2)의 방향으로 안내하기 위한 냉각관(5)을 포함하고, 상기 냉각관(5)은 한편으로는 냉각 증기(6)를 샤프트 표면(3)으로 안내하기 위해 샤프트 표면(3)으로 뻗은 적어도 하나의 배출관(7)에 연결되며 다른 한편으로는 냉각 증기(6)를 냉각관(5)내로 공급하기 위한 적어도 하나의 공급관(8)에 연결되는 증기 터빈 샤프트.
  2. 제 1항에 있어서, 냉각관(5)이 회전 축선(2)에 대해 평행한 홀(5a)인 것을 특징으로 하는 터빈 샤프트.
  3. 제 2항에 있어서, 냉각관(5)이 중심 홀(5a)인 것을 특징으로 하는 터빈 샤프트.
  4. 제 2항 또는 3항에 있어서, 홀(5a)이 배출관(7)의 하류에서 특히 마개(9)에 의해 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 터빈 샤프트.
  5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 공급관(8)이 샤프트 표면(3)으로부터 냉각관(5)으로 연장되는 것을 특징으로 하는 터빈 샤프트.
  6. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 공급관(8) 및/또는 배출관(7)이 방사방향 홀(8a, 7a)인 것을 특징으로 하는 터빈 샤프트.
  7. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 터빈 샤프트가 샤프트 표면(3)에 터빈 작동 블레이드(1)의 수용을 위한 리세스(10)를 포함하며, 배출관(8)이 리세스(10)내에 뻗는 것을 특징으로 하는 터빈 샤프트.
  8. 제 7항에 있어서, 배출관(8)을 포함하는 리세스(10)가 부가로 스터브(12)를 통해 샤프트 표면(3)에 연결되는 것을 특징으로 하는 터빈 샤프트.
  9. 제 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서, 터빈 샤프트(1)가 조합형 고압/중간압 증기 터빈의 고압 작동 블레이드(13) 및 중간압 작동 블레이드(14)의 수용을 위해 사용되고, 배출관(7)은 중간압 작동 블레이드(14)의 증기 유입 영역(15)에 뻗는 것을 특징으로 하는 터빈 샤프트.
  10. 제 9항에 있어서, 공급관(8)이 고압 작동 블레이드(14)의 증기 배출 영역(15)에 뻗는 것을 특징으로 하는 터빈 샤프트.
  11. 터빈 샤프트(1)가 고압 작동 블레이드(13) 및 중간압 작동 블레이드(14)를 지지하며, 증기(6)는 고압 작동 블레이드(14)의 증기 영역(17)으로부터 터빈 샤프트(1)의 내부(4)를 통해 중간압 작동 블레이드(14)의 증기 유입영역(15)으로 안내되는 것을 특징으로 하는 증기 터빈 샤프트(1)의 냉각 방법.
KR1019980705279A 1996-01-11 1996-12-20 내부 냉각되는 증기 터빈 샤프트 KR19990077142A (ko)

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