KR20000065319A - 발전소용 증기터빈 고정익 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 원자력 발전소나 화력 발전소등에서 사용되는 발전소용 증기터빈의 고정익에 관한 것으로; 본 발명의 목적은 증기터빈에서 습분침식이 발생되는 것을 방지해서 회전익이 원래의 형상을 잃어버리는 것을 막아줌으로써 증기터빈의 효율이 저하되는 것을 막아줄 뿐만아니라 습분침식에 의한 회전익의 교체를 줄여 발전소의 유지비를 줄여줄 수 있는 발전소용 증기터빈 고정익을 제공하기 위한 것이며; 상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 압력면(11')상에 길이방향으로 습분제거홈(13')이 형성되는 것을 특징으로 하는 발전소용 증기터빈 고정익을 제공해준다.

Description

발전소용 증기터빈 고정익{Stationary blade of steam turbine for power plant}

본 발명은, 원자력 발전소나 화력 발전소등에서 사용되는 발전소용 증기터빈에 관한 것으로서, 특히 발전소용 증기터빈의 고정익에 관한 것이다.

증기터빈(steam turbine)은, 보일러에서 발생한 고압의 증기를 노즐에서 분출시켜 고속의 증기분류(蒸氣噴流)로 만들어서 회전가능한 날개차에 내뿜어 동력을 얻는 열기관의 일종이다.

그러나, 종래의 증기터빈은 증기를 이용하여 동력을 발생시키는 장치이기 때문에 동작중에 습분이 발생되어 침식을 유발시켜 장치를 손상시키거나 나아가 작동효율을 떨어뜨리는 문제를 가지고 있다.

첨부된 도 1a와 도 1b를 참조해서 상기한 문제를 상세히 살펴보면 다음과 같다.

상기 증기터빈의 저압부에서는 증기가 팽창되어 포화증기가 되면서 매우 작은 물방울들(water droplets)이 형성되게 된다.

그 후, 상기 작은 물방울들을 포함한 증기는 난류유동에 의해 상기 증기터빈의 각단을 통과하면서 서로 부딪쳐서 합쳐져 더욱 큰 물방울로 성장하게 되는 바, 이때 물방울이 가지는 표면장력에 의해서 물방울의 성장이 더욱 더 증대된다. 이와같이 작은 물방울들이 부딪쳐 합쳐지는 작용을 입자상호작용(particle interaction)이라 한다.

이와같이 성장한 큰 물방울은 상대적으로 큰 관성력(inertia force)을 가지게 되므로 증기의 유선(流線, streamline)이 급격히 변하는 경우에는 그 유선으로부터 이탈해서 고정익 압력면(11; pressure side of nozzle blade)에 부딪쳐서 상기 고정익 압력면에 유막(12; water film)을 형성하게 된다.

그리고, 이와 같이 고정익 압력면(11)에 형성된 유막(12)은 증기유동의 전단력(shear force)에 의해서 상기 고정익(10)의 하류측 단부(trailing edge)로 밀려가게 된다.

한편, 상기 고정익(10)의 단부에 밀려간 유막은 고정익의 단부로부터 이탈하면서 작은 물방울로 다시 쪼개져서 증기유동을 따라 계속 하류로 흘러가 회전상태에 있는 회전익(20)과 충돌하게 된다.

이와 같이 상기 회전익(20)에 충돌되는 물방울은 회전익의 흡입면에 손상을 일으키게 되는 바, 이를 물방울에 의한 회전익 침식(water droplet erosion of turbine blade)이라 부른다.

상기 물방울에 의한 회전익 침식을 도 1a와 도 1b에 도시된 속도벡터를 사용해서 더욱 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 즉, 도 1a에서 상기 고정익(10)을 이탈하는 증기의 절대속도벡터를 V_1S라 하는 한편 상기 회전익(20)의 원주속도벡터를 U라 하면 상기 회전익(20)에 유입되는 증기의 속도벡터는 V_2S(= V_1S- U)가 된다. 그리고, 물방울의 절대속도는 증기의 절대속도 보다 20% 느리며 또한 유동방향에도 차이가 있으므로 물방울의 절대속도를 V_1m이라 하는 한편 상기 회전익(20)의 원주속도벡터를 U라 하면 상기 회전익(20)에 유입되는 물방울의 속도벡터는 V_2m(= V_1m- U)가 된다. 따라서, 상기 물방울의 속도벡터(V_2m)는 상기 회전익(20)에 유입되는 증기의 속도벡터(V_2S)와 서로 반대 방향을 향하게 되어 회전익의 흡입면에 유입되게 되므로 상기 회전익 흡입면의 침식을 유발하게 된다.

증기터빈의 습분 침식은 증기가 팽창되면서 포화증기선(saturation line)을 통과하게 될때 형성되는 물방울에 의해 유발된다. 화력 증기터빈에 있어서는, 화력 재열 증기터빈(fossil reheat steam turbines)의 경우 습분 침식은 대개 마지막 단의 회전익(Last Stage Blade, LSB)의 끝단부(tip section)에서만 발생됨에 비하여, 비재열 화력터빈의 경우 습분 침식은 저압터빈 전영역이 습증기 영역에 해당되기 때문에 여러단에 걸쳐서 발생되게 된다. 그리고, 원자력 증기터빈에 있어서는, 증기통로 전영역에 걸쳐서 습분이 존재할 수 있으므로 비교적 넓은 영역에 걸쳐서 습분침식이 발생되게 된다.

한편, 이와 같이 증기터빈에서 습분침식이 발생할 경우에는 회전익이 원래의 형상을 잃어버리게 되어 공기역학적 손실이 증대하게 되므로 증기터빈의 효율이 저하될 뿐만아니라 습분 침식에 의한 터빈 블레이드의 손상이 심할 경우 회전익을 교체해야 되므로 발전소의 유지비가 급격히 증가되는 문제점이 발생하게 된다.

본 발명의 목적은, 증기터빈에서 습분침식이 발생되는 것을 방지해서 회전익이 원래의 형상을 잃어버리는 것을 막아줌으로써 증기터빈의 효율이 저하되는 것을 막아줄 뿐만아니라 습분침식에 의한 회전익의 교체를 줄여 발전소의 유지비를 줄여줄 수 있는 발전소용 증기터빈 고정익을 제공하기 위한 것이다.

도 1a는 종래 발전소용 증기터빈 고정익을 사용했을 경우에 발생되는 증기의 거동을 보여주는 도면,

도 1b는 종래 발전소용 증기터빈 고정익을 사용했을 경우에 발생되는 습분의 거동을 보여주는 도면,

도 2는 본 발명에 따른 발전소용 증기터빈 고정익의 구성을 도시하는 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10' : 고정익, 11' : 고정익 압력면

13' : 습분제거홈

전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 압력면상에 길이방향으로 습분제거홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 발전소용 증기터빈 고정익을 제공해준다.

이하에서는 도 2를 주로 참조함과 아울러 상기 도 1a와 도 1b를 보조적으로 참조해서 본 발명에 따른 발전소용 증기터빈 고정익에 대한 바람직한 일실시예를 살펴보기로 한다.

우선, 구성을 살펴보면 다음과 같다.

증기터빈에 사용되는 날개차는 고정익(10'; stationary blade)과 회전익(20; rotational blade)으로 이루어져 있다.

본 발명에 따르면, 증기터빈 고정익의 압력면(11')상에 길이방향으로 습분제거홈(13')이 형성되어 있다.

한편, 상기 습분제거홈이 하류측 단부에 인접한 위치에 형성되어 있는 것이 보다 바람직하다.

다음에는 작용을 살펴보면 다음과 같다.

상기 증기터빈의 저압부에서 증기가 팽창되어 포화증기가 되면서 매우 작은 물방울들이 형성되게 되는 것은 종래와 같다.

그 후, 상기 작은 물방울들을 포함한 증기는 난류유동에 의해 상기 증기터빈의 각단을 통과하면서 서로 부딪쳐서 합쳐져 더욱 큰 물방울로 성장하게 되는 바, 이때 물방울이 가지는 표면장력에 의해서 물방울의 성장이 더욱 더 증대되는 것도 종래와 같다.

이와같이 성장한 큰 물방울은 상대적으로 큰 관성력을 가지게 되므로 증기의 유선이 급격히 변하는 경우에는 그 유선으로부터 이탈해서 고정익 압력면(11')에 부딪쳐서 상기 고정익 압력면에 유막(12)을 형성하는 것도 종래와 같다.

그리고, 이와 같이 고정익 압력면(11')에 형성된 유막(12)은 증기유동의 전단력에 의해서 상기 고정익(10')의 하류측 단부를 향해 밀려가게 되는 것도 종래와 같다.

그러나, 본 발명에 따르면, 증기터빈 고정익의 압력면(11')상에 하류측 단부에 인접해서 길이방향으로 습분제거홈(13')이 형성되어 있으므로, 하류측 단부를 향해 밀려가던 유막(12)은 상기 습분제거홈(13')에 유입되어 흘러나가게 된다.

한편, 흘러나간 습분은 도시되지 않은 복수기(condenser)로 보내져서 증기터빈으로부터 제거된다.

따라서, 상기 고정익(10')의 단부로부터 이탈되어 상기 회전익(20)과 충돌하는 물방울이 거의 없어져서 물방울에 의한 회전익 침식(water droplet erosion of turbine blade)이 완전히 방지된다.

한편, 상기 습분제거홈이 하류측 단부에 인접한 위치에 형성되어 있는 경우에는 상기 고정익 압력면(11')에 부딪쳐 부착되는 습분을 보다 완전히 제거해줄 수 있다.

본 발명에 따른 발전소용 증기터빈 고정익에 따르면, 증기터빈 고정익의 압력면(11')상에 하류측 단부에 인접해서 길이방향으로 형성된 습분제거홈(13')에 의해서 하류측 단부를 향해 밀려가던 유막(12)이 제거되게 되므로, 증기터빈에서 습분침식이 발생되는 것을 방지해서 회전익이 원래의 형상을 잃어버리는 것을 막아줌으로써 증기터빈의 효율이 저하되는 것을 막아줄 뿐만아니라 습분침식에 의한 회전익의 교체를 줄여 발전소의 유지비용을 줄여주는 효과가 발휘된다.

Claims (2)

1. 압력면상에 길이방향으로 습분제거홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 발전소용 증기터빈 고정익.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 습분제거홈이 하류측 단부에 인접한 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발전소용 증기터빈 고정익.