KR20000022065A - 터보 머신 및 그 냉각 방법 - Google Patents

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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 하우징(15), 적어도 부분적으로 상기 하우징(15)으로 형성된 작동 유체(4)의 유입 영역(3), 냉각 유체(5)의 공급관(8), 주축선(2)을 따라 상기 하우징(15)내에 배치된 작동 블레이드 캐리어(11), 및 상기 유입 영역(3)내에 배치된 차폐 부재(19)를 포함하고, 상기 차폐 부재는 작동 유체(4)로부터 작동 블레이드 캐리어를 보호하기 위해 사용되며 고정 장치(22)에 의해 하우징(15)에 고정되고, 상기 공급관(8)은 고정 장치(22)를 통해 연장되는, 터보 머신(1), 특히 증기 터빈에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 고온 작동 유체(4)의 유입 영역(3)에 인접한 터보 머신(1)의 하나 또는 다수의 부품을 냉각시키기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

터보 머신 및 그 냉각 방법
증기 터빈의 효율을 증가시키기 위해, 높은 압력 및 높은 온도를 가진 증기, 특히 550℃ 이상의 온도를 가진 소위 초임계 상태의 증기가 사용된다. 이러한 상태의 증기 사용은 증기 터빈, 특히 작동 유체의 유입 영역에 인접한 증기 터빈 부품, 예컨대 하우징 벽 및 터빈 샤프트에 대한 높은 요구 조건을 갖는다.
D. Bergmann, A. Drosdziok 및 H. Oeynhausen의 논문 "Dampfturbinen fuer fortgeschrittene Kraftwerkskonzepte mit hohen Dampfzustaenden", Siemens Power Journal 1/93, 페이지 5-10에는 선회 냉각이 이루어지는 회전자 차폐 수단이 공지되어 있다. 선회 냉각시 증기는 회전자 차폐 수단내의 4개의 접선 홀을 통해 터빈 샤프트의 회전 방향으로 회전자 차폐 수단과 회전자 사이의 영역내로 흐른다. 여기서, 증기가 팽창되고, 온도가 저하됨으로써 회전자를 냉각시킨다. 회전자 차폐 수단은 증기 밀봉 방식으로 가이드 블레이드 열에 접속된다. 선회 냉각에 의해 회전자 차폐 수단 주변에서 회전자의 온도 저하는 약 15K이다. 터빈 샤프트를 간격을 두고 둘러싸며 제 1 가이드 블레이드 열의 가이드 블레이드의 방사방향 내부 단부에 접속된 상기 회전자 차폐 수단에 대한 상세한 설명은 유럽 특허 제 0 088 944 B1호에 공지되어 있다. 회전자 차폐 수단내에는 노즐이 제공된다. 상기 노즐은 샤프트의 회전 방향으로 볼 때 접선 방향으로 샤프트와 샤프트 차폐 수단 사이에 형성된 링형 채널내로 뻗는다. 회전자 차폐 수단에 대한 다른 예는 독일 특허 공개 제 32 09 506 A1호에 제시된다.
본 발명은 하우징, 및 적어도 부분적으로 상기 하우징으로 형성된 작동 유체의 유입 영역을 포함하는 터보 머신, 특히 증기 터빈, 및 터보 머신의 유입 영역에 배치된 적어도 하나의 부품의 냉각 방법에 관한 것이다.
도 1은 복류식 중간압 증기 터빈의 종단면도이다.
본 발명의 목적은 높은 열 부하를 받는 영역, 특히 작동 유체의 유입 영역이 냉각될 수 있는 터보 머신을 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 적어도 유입 영역에 인접한 터보 머신 부품을 냉각시키기 위한 방법을 제공하는 것이다.
터보 머신, 특히 증기 터빈에 관련한 상기 목적은 본 발명에 따라 터보 머신이 적어도 부분적으로 하우징으로 형성된 작동 유체의 유입 영역을 가진 하우징을 포함하고, 하우징, 특히 유입 영역에 인접한 하우징 벽을 냉각시킬 수 있는 냉각 유체의 공급관이 하우징내에 제공됨으로써 달성된다. 냉각 유체의 공급관을 가진 하우징에 의해, 550℃ 이상의 온도를 가진 작동 유체가 유입 영역내로 유입될 때도 하우징의 온도가 현저히 낮아질 수 있다. 이로 인해, 공지된 재료, 특히 마르텐사이트 크롬강의 사용이 가능해지거나 또는 낮은 온도 레벨에 대한 새로운 재료의 사용이 가능해진다. 냉각 유체는 다수의 부분 터빈을 가진 증기 터빈 설비의 프로세스 증기, 별도의 냉각 증기 또는 냉각 공기일 수 있다.
대안으로 또는 부가로 터보 머신이 유입 영역에 인접한 차폐 부재를 포함한다. 상기 차폐 부재는 하우징내에서 주축선을 따라 연장된 작동 블레이드 캐리어를 작동 유체로부터 보호하고 고정 장치에 의해 하우징에 고정된다. 이 경우, 공급관은 상기 고정 장치를 통해 차폐 부재내로 뻗는다. 차폐 부재는 여러 장소에서 하나의 고정 장치 또는 다수의 고정 장치에 의해 하우징에 접속될 수 있다. 동시에 다수의 냉각 효과가 얻어진다. 즉, 유입 영역에 인접한 벽에서 하우징의 냉각, 고정 장치의 냉각, 차폐 부재의 냉각 및 작동 블레이드 캐리어의 냉각이 이루어진다. 다수의 부분 구간으로 이루어진, 작동 유체의 흐름 통로를 통해 뻗은 공급관에 의해 단 하나의 냉각 유체 흐름으로 다수의 터보 머신 부품이 효과적으로 냉각된다.
바람직하게는 고정 장치가 작동 유체의 방향으로 볼 때 적어도 제 1 가이드 블레이드 열내에 통합된다. 제 1 가이드 블레이드 열, 즉 고정 장치의 냉각을 증가시키기 위해, 하나의 분기관, 바람직하게는 다수의 분기관이 제공된다. 상기 분기관은 공급관에 접속되며 유입 영역내로 및/또는 유입 영역 반대편 측면에 뻗는다. 이로 인해, 제 1 가이드 블레이드 열의 부가 필름 냉각이 이루어진다.
차폐 부재는 바람직하게는 적어도 하나의 분기관을 포함하고, 상기 분기관은 공급관에 접속되며 유입 영역내로 뻗는다. 이것은 차폐 부재를 필름 냉각시킴으로써, 직접 작동 블레이드 캐리어의 온도 부하를 더욱 감소시킨다. 차폐 부재는 부가로 공급관에 연결된 공동부를 가질 수 있으며, 이로 인해 차폐 부재에서 작동 블레이드 캐리어의 방향으로의 열전달이 감소된다.
특히 링형으로 구현되는 차폐 부재에 의해 작동 블레이드 캐리어에 사이 공간이 형성된다. 공급관이 상기 사이 공간내로 뻗는다. 따라서, 사이 공간이 냉각 유체로 채워짐으로써, 작동 유체에 의해 가열된 차폐 부재로부터 작동 블레이드 캐리어내로의 열전달이 감소된다. 차폐 부재가 고정 장치에 의해 하우징에 접속되기 때문에, 차폐 부재가 작동 블레이드 캐리어로부터 이격되고, 그로 인해 하우징과 작동 블레이드 캐리어 사이로 흐르는 작동 유체와 냉각 유체의 흐름이 보장된다. 바람직하게는, 특히 방사방향 홀로 형성된 냉각 유체관이 상기 사이 공간으로부터 작동 블레이드 캐리어내로 뻗는다. 이것은 특히 상응하는 개구를 통해 안내되는 타이 로드에 의해 결합된, 서로 동심으로 배치된 2개 또는 다수의 회전자 플레이트로 형성된 작동 블레이드 캐리어에서 부가의 냉각을 야기시킨다. 이 경우, 냉각 유체가 타이 로드와 회전자 플레이트 사이에 형성된 링형 공간내로 유입된다. 특히, 냉각 유체관을 포함하는, 주축선에 대해 평행하게 뻗은 적어도 하나의 축방향 홀이 제공되면, 터빈 샤프트의 냉각도 가능하다.
하우징을 통해 냉각 유체를 공급하는 것은 높은 열 부하를 받는 터보 머신 부품의 냉각에 부가해서, 증기 터빈의 회전 부품(작동 블레이드, 작동 블레이드 캐리어)의 갭과 고정 부품(가이드 블레이드, 하우징) 사이로 작동 유체의 누설을 감소시킬 수 있다. 상기 갭 손실은 하우징 또는 작동 블레이드 캐리어내의 상응하는 분기관을 통해 냉각 유체가 공급관, 사이 공간 또는 냉각 유체관으로부터 분기되고 상기 갭내로 흐름으로써 감소될 수 있다. 상기 분기관은 바람직하게는 냉각 유체의 공급관으로부터 뻗어나감으로써, 하우징과 작동 블레이드 또는 가이드 블레이드 및 작동 블레이드 캐리어 사이의 갭내에 뻗을 수 있다. 따라서, 터보 머신의 회전 부품과 고정 부품 사이의 무접촉 시일의 밀봉력이 현저히 증가된다.
냉각 유체의 안내는 차폐 부재가 작동 유체의 흐름 분할 및/또는 주축선 방향으로의 방향 전환을 위해 형성된 터보 머신에 특히 적합하다. 유입 영역은 바람직하게는 작동 블레이드 캐리어의 주축선에 대해 수직 방향으로 작동 유체를 안내하기 위해 형성된다. 터보 머신은 바람직하게는 흐름 분할 및 작동 유체의 방향 전환이 이루어지는 복류식 증기 터빈, 특히 중간압 증기 터빈이다. 물론, 상기 냉각은 단류식 증기 터빈의 유입 영역에서도 가능하다.
증기 터빈 설비로부터 나온 프로세스 가스가 냉각 유체로 사용되면, 이것은 상이한 분기관을 통해 전체 공정에 다시 공급된다. 냉각 유체로서 사용되는 증기는 공급관을 통해 흐르는 동안 가열된다. 따라서, 프로세스 증기가 사라지는 냉각에 비해, 증기 터빈의 효율 증가가 이루어질 수 있다.
터보 머신, 특히 증기 터빈의 유입 영역에 인접한 부품의 냉각 방법에 관련한 상기 목적은 냉각 유체가 특히 유입 영역의 주변에서 적어도 부분적으로 유입 영역을 형성하는 하우징을 통해 안내되고 거기서 부터 차폐 부재에 공급됨으로써, 하우징내에 배치된 작동 블레이드 캐리어의 온도 부하를 감소시킴으로써 달성된다.
도면에 도시된 실시예를 참고로 터보 머신 및 그 냉각 방법을 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
도면에 도시된 터보 머신(1)의 단면도는 터빈 설비의 복류식 중간압 증기 터빈의 종단면도이다. 터보 머신의 하우징내에 주축선(2)을 따라 연장된 작동 블레이드 캐리어(11)가 도시된다. 작동 블레이드 캐리어는 다수의 회전자 플레이트(29)로 제조된다. 편의상, 상기 회전자 플레이트 중 하나만이 도시된다. 회전자 플레이트(29)를 통해 주축선(2)을 따라 중심으로 타이 로드(28)가 안내된다. 상기 타이 로드는 회전자 플레이트를 작동 블레이드 캐리어(11)로 결합시킨다. 물론, 작동 블레이드 캐리어(11)가 일체로 이루어진 터빈 샤프트로 제조될 수도 있다. 하우징(15)에 의해 작동 유체(4)용 유입 영역(3)이 형성된다. 상기 유입 영역(3)은 유입 축선(17)을 따라 주축선(2)에 대해 수직으로 연장된다. 하우징(15)에 의해 유입 영역(3) 근처에 유입 축선(17)에 대해 평행하게 냉각 유체 공급관(8)이 제공된다. 상기 공급관(8)은 제 1 가이드 블레이드 열(16)의 가이드 블레이드(6)내로 이어진다. 가이드 블레이드(6) 또는 다수의 가이드 블레이드에서 분기관(23)이 분기되어 유입 영역(3)내로 뻗는다. 제 1 가이드 블레이드 열(16)은 또한 링형 차폐 부재(19)용 고정 장치(22)로서 사용된다. 차폐 부재(19)가 유입 영역(3)내로 휘어짐으로써, 작동 유체(4)의 방향 전환을 일으키고 상기 작동 유체로부터 작동 블레이드 캐리어(11)(터빈 회전자)를 보호한다. 공급관(8)은 가이드 블레이드(6)로부터 차폐 부재(19)내로 뻗는다. 차폐 부재(19)는 공급관(8)에 접속된 공동부(18)를 포함한다. 상기 공동부(18)는 주축선(2)에 대해 평행하게 연장되며 부분적으로 유입 영역(3)의 방향으로 확대된다. 분기관(24)이 공동부(18)로부터 분기되어 유입 영역내로 뻗는다. 이로 인해, 가이드 블레이드(6)의 분기관(23)에 의해서와 같이, 차폐 부재(19)의 필름 냉각이 이루어진다. 공급관(8)은 차폐 부재(19)로부터 차폐 부재(19)와 작동 블레이드 캐리어(11) 사이에 형성된 사이 공간(9)내로 뻗는다. 그안으로 유입된 냉각 유체(5)가 적어도 부분적으로 축방향으로 사이 공간(9)으로부터 작동 유체(4)의 흐름내로 흐르므로, 작동 블레이드(7) 및 후속 배치된 가이드 블레이드(6a)로 형성된 터빈단을 통해 흐른다. 축방향 홀로서 형성된 냉각 유체관(13)은 사이 공간(9)으로부터 작동 블레이드 캐리어(11)내로 뻗고, 거기서 타이 로드(28)와 회전자 플레이트(29) 사이에 형성된 링형 갭(27)내로 뻗는다.
그 안으로 유입된 냉각 유체(5)에 의해 열이 작동 블레이드 캐리어(11)로부터 방출된다. 부가로 회전자 플레이트(29) 또는 하나 또는 다수의 후속 배치된 회전자 플레이트내에 차단 유체관(14)이 제공된다. 상기 차단 유체관(14)은 링형 갭(27)으로부터 작동 블레이드 캐리어 영역(26)내로 뻗는다. 상기 작동 블레이드 캐리어 영역(26)은 작동 블레이드(6a)에 대해 직접 마주 놓인다. 이로 인해, 냉각 유체(5)가 작동 블레이드 캐리어 영역(26) 및 가이드 블레이드(6a) 사이에 형성된 갭내로 흐른다. 거기서, 냉각 유체(5)는 부가로 작동 유체(4)가 상기 갭을 통해 흐르는 것을 방지하거나 적어도 현저히 감소시키는 차단 유체의 작용을 한다. 이로 인해 부가로 무접촉 밀봉시 갭 손실이 향상됨으로써 증기 터빈의 효율이 향상된다. 냉각 유체(5)가 흐르는 다른 차단 유체관(14)이 하우징(15)에 제공되고, 공급관(8)을 제 1 가이드 블레이드 열(16)의 영역에서 작동 블레이드(7)에 직접 마주 놓인 하우징 영역(25)에 연결시킨다. 이로 인해, 냉각과 더불어, 부가로 차단 유체로 작용하는 냉각 유체(5)에 의한 상기 갭의 밀봉이 이루어진다.
본 발명은 고온 작동 유체, 특히 550℃ 이상의 증기용 유입 영역에 인접한 다수의 터보 머신 부품의 냉각을 특징으로 한다. 냉각은 냉각 유체, 특히 증기 터빈 설비의 프로세스 증기 또는 냉각 공기를 유입 영역을 향한 하우징의 표면 근처 영역내에 배치된 공급관을 통해 안내함으로써 이루어진다. 냉각 공기는 거기서 부터 제 1 가이드 블레이드 열을 통해 가이드 블레이드 열에 고정된 차폐 부재내로 안내된다. 하우징, 즉 가이드 블레이드, 및 차폐 부재내에 분기관이 제공되며, 상기 분리관이 유입 영역내로 뻗음으로써, 부품의 필름 냉각을 가능하게 한다. 또한, 공급관으로부터 분기된 차단 유체관을 통해 냉각 유체가 부가로 차단 유체로서 회전 부품(작동 블레이드, 작동 블레이드 캐리어) 및 고정 부품(가이드 블레이드, 하우징) 사이의 갭내로 안내됨으로써, 무접촉 시일의 밀봉이 현저히 개선된다.

Claims (13)

  1. 하우징(15), 적어도 부분적으로 상기 하우징(15)으로 형성된 작동 유체(4)의 유입 영역(3), 냉각 유체(5)의 공급관(8), 주축선(2)을 따라 상기 하우징(15)내에 배치된 작동 블레이드 캐리어(11), 및 상기 유입 영역(3)내에 배치된 차폐 부재(19)를 포함하고, 상기 차폐 부재는 작동 유체(4)로부터 작동 블레이드 캐리어를 보호하기 위해 사용되며 고정 장치(22)에 의해 하우징(15)에 고정되고, 상기 공급관(8)은 고정 장치(22)를 통해 연장되는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  2. 제 1항에 있어서, 공급관이 하우징(15)에서 적어도 부분적으로 유입 영역(3)의 주변에 뻗어 상기 유입 영역을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 고정 장치(22)가 제 1 가이드 블레이드(6)로 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 고정 장치(22)가 공급관(8)에 접속된 적어도 하나의 분기관(23)을 포함하며, 상기 분기관(23)이 유입 영역(3)내로 뻗는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 분기관(24)이 차폐 부재(19)내에 제공되고, 공급관(8)과 접속되며 유입 영역(3)내로 뻗는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  6. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 차폐 부재(19)와 작동 블레이드 캐리어(11) 사이에 사이 공간(9)이 형성되고, 상기 사이 공간내로 공급관(8)이 뻗는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  7. 제 6항에 있어서, 냉각 유체관(13)이 사이 공간(9)으로부터 작동 블레이드 캐리어(11)내로 뻗는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  8. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 블레이드 캐리어(11)가 적어도 2개의 회전자 플레이트(29)를 포함하고, 상기 회전자 플레이트(29)는 타이 로드(29)에 의해 서로 결합되며, 냉각 유체관(13)은 회전자 플레이트(29)와 타이 로드(28) 사이의 링형 공간(27)내로 뻗는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  9. 제 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서, 차폐 부재(19)가 유체 흐름 분할 및/또는 주축선(2)의 방향으로 유체의 방향 전환을 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  10. 하우징(15), 적어도 부분적으로 하우징(15)으로 형성된 작동 유체의 유입 영역(3), 및 하우징(15)에서 그 냉각을 위해 유입 영역(3)의 주변에 뻗은 냉각 유체(5)용 공급관(8)을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  11. 제 1항 내지 10항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 차단 유체관(14)이 제공되고, 상기 차단 유체관(14)은 공급관(8)에 접속되며 하우징 영역(25)에서 작동 블레이드(7)에 마주 놓이게 또는 작동 블레이드 캐리어 영역(26)에서 가이드 블레이드(6a)에 마주 놓이게 뻗는 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  12. 제 1항 내지 11항 중 어느 한 항에 있어서, 터보 머신이 복류식 중간압 증기 터빈(15)인 것을 특징으로 하는 터보 머신.
  13. 적어도 부분적으로 하우징(15)으로 형성된 터보 머신(1), 특히 증기 터빈의 유입 영역(3)에 인접한 적어도 하나의 부품을 냉각시키는 방법에 있어서, 냉각 유체(5), 특히 냉각 공기 또는 프로세스 증기가 특히 유입 영역(3)의 주변에서 하우징을 통해 차폐 부재에 공급되어 하우징(15)내에 배치된 작동 블레이드 캐리어(11)의 온도 부하를 감소시키는 것을 특징으로 하는 냉각 방법.
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