KR20010042504A - 증기 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전축(2), 및 증기용 배기(증발) 영역내에 위치하고 회전축(2) 방향으로 연장되는 흐름 채널(6)을 갖는 유입구 영역(3)을 포함하는 증기 터빈(1)에 관한 것이다. 상기 흐름 채널(6)은 배기 영역(4)쪽으로 확대되고, 그에 따라 배출 개구(8)가 형성된다. 상기 배출 개구(8)에는 상기 배출 개구(8)의 직경에 걸쳐 연장되는 흐름 가이드 부재(10)가 할당된다.

Description

증기 터빈{STEAM TURBINE}

증기 터빈은 통상 제너레이터의 구동 및 고열 증기의 발생을 위한 발전소 또는 작업 기계의 구동을 위한 산업 설비에 사용된다. 여기서는 증기 터빈에 흐름 매체로 사용되는 증기가 공급되고, 상기 증기는 작업 효율의 야기하에 팽창된다. 증기는 완전 팽창된 후 증기 터빈의 배기 하우징에 의해 하부에 접속된 복수기(復水器)내에 유입되어 거기서 응결된다. 상응하는 배기 하우징은 축방향 또는 반경 방향으로 관류된다. 전력 발전소에는 통상 서로 유체학적으로 접속되는 고압-증기 터빈, 중압-증기 터빈 및 저압-증기 터빈을 포함하는 증기 터빈 설비가 제공된다. 저압-증기 터빈내에서 팽창된 증기는 복수기에 유입된 다음 응결된다. 상기 증기 터빈 설비의 효율은 다수의 파라미터에 의해 결정되며, 특히 증기 터빈 설비내에 발생하는 흐름 저항에 의해 제한된다.

EP 0 345 700 A1에는 와류 및 증기 흐름의 분리에 의한 에너지 손실을 막기 위해 터빈 엔진, 특히 증기 터빈의 외부 하우징이 제공되어있다. 상기 외부 하우징은 원형 확산체를 포함하며, 상기 확산체의 확대된 단부에는 2 개의 개별 유출 채널이 연결된다. 하우징 뒷벽에 의해 제한된 뒤쪽 유출 채널은 기기의 종축에 대해 횡으로 및 직선으로 연장된다. 앞쪽 유출 채널은 확산체내에 흐름 방향과 반대로 연장되는 아치형 섹션을 지나 아래쪽으로 뒤쪽 유출 채널에 대해 평행하게 연장된다. 2 개의 유출 채널은 분리벽에 의해 서로 분리된다. 뒤쪽 유출 채널내에는 채널의 전체 폭에 걸쳐서 연장되는 경사진 뒤쪽 벽이 확산체의 하부 가장자리에 배치되고, 상기 벽은 확산체로부터 분리벽까지 이른다. EP 0 345 700 A1의 회부 하우징에서는 증기 터빈에서 발생한 증기가 분리벽에 의해 분리되어 서로 독립적으로 복수기로 유입되는 2 개의 부분 증기 흐름으로 나뉘게 된다.

본 발명은 증기의 유입 영역 및 배기 영역으로부터 회전축을 따라 연장되는 증기 흐름 채널을 포함하는 증기 터빈에 관한 것으로서, 상기 증기 흐름 채널은 배출구 직경을 갖는 배출 개구를 위한 배기 영역쪽으로 확대된다.

도 1은 복수기가 장착된 저압-증기 터빈의 종단면도,

도 2는 저압-증기 터빈의 배기 영역의 횡단면도, 및

도 3은 저압-증기 터빈의 배기 영역의 종단면도이다.

본 발명의 목적은 흐름 손실이 낮게 나타나는 증기 터빈을 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 회전축을 따라 연장되고, 증기용 배기 영역으로 통하는 유입 영역으로부터 배출구 직경을 갖는 배출 개구를 위한 배기 영역까지 확대되는 흐름 채널을 포함하는 증기 터빈에 있어서, 상기 배출 개구에 배치된 흐름 가이드 부재가 배출 개구로부터 유출되는 증기를 위해 제공됨으로써 달성되며, 상기 흐름 가이드 부재는 한 편으로는 배출구 직경에 걸쳐 연장되고, 다른 한 편으로는 유출 방향을 따라 유출 영역으로 연장됨으로써 증기가 흐름 가이드 부재의 양측에 전달될 수 있으며 상기 흐름 가이드 부재의 아래쪽에서 증기의 완전 혼합이 이루어진다.

여기서 본 발명은 확대된 흐름 채널(축의 반경 방향 확산체)의 배출 개구에 더 아래쪽, 특히 복수기(복수기의 목 부분)의 유입 평면에서의 표면 평균의 정지 압력보다 큰 표면 평균 정지 압력이 존재한다는 사실을 기초로 한다. 그로 인해 특히 와류에 의해 야기되는, 흐름의 강한 소용돌이에 의해 발생하는 높은 압력 손실이 존재한다. 상기 와류는 배출 개구로부터 증기가 한 편으로는 아래쪽 반경 방향으로, 다른 한 편으로는 위쪽 반경 방향으로 편향됨으로써 발생하며, 위쪽 반경방향으로 편향된 증기는 계속해서 아래쪽으로 편향되어, 원래 먼저 아래쪽으로 편향되었던 증기와 혼합된다. 먼저 위쪽으로 편향된 증기는 2 개의 증기 흐름으로 나뉘고, 상기 2 개의 증기 흐름은 아래쪽으로 흘러 소용돌이치며 각각 와류 첨두를 형성한다. 상기 와류 첨두의 근원점은 흐름 채널을 둘러싸는 외측 내부 하우징의 상부에 위치한다.

유출된 증기의 양측에서 순환되는 흐름 가이드 부재가 바람직하게는 일부만 유출 방향으로 유출 영역에 연장됨으로써 상기 흐름 가이드 부재의 아래쪽에서 혼합 영역이 복수기의 유입 평면까지 지속되며, 그로 인해 전체 증기 흐름의 충분한 완전 혼합 및 균일성이 달성된다. 따라서 복수기의 유입 평면에는 복수기의 낮은 하중을 보증하는 균일한 유입이 존재한다.

배출 개구에 배치된 흐름 가이드 부재에 의해, 특히 아래쪽으로 직접 유출되는 증기와 위쪽으로 편향되는 증기의 혼합 영역내 물질 유동 밀도 분할의 균일성 및 와류 강도의 감소가 가능하다. 이는 배출 개구로부터 배기 영역으로 증기가 배출될 때 압력 손실을 감소시킴으로써 증기 터빈의 효율 증가에 기여한다. 따라서 예컨대 배출 개구와 복수기의 유입 평면 사이에 형성된 유출 영역내에서 먼저 흐름 가이드 부재의 아래쪽에 증기 흐름의 완전 혼합이 이루어진다. 이러한 완전 혼합은 복수기의 유입 평면까지 증기 흐름을 균일하게 하고, 이는 복수기, 특히 복수기 박판의 유입 및 하중을 균일하게 한다. 이로써 복수기내 낙하 충격에 의한 하중 및 상이한 유속(증기 제트)으로 불완전 혼합된 증기 부분 흐름에 의해 증가된 하중이 감소된다. 따라서 유출 영역내에서는 위쪽으로 유출된 증기 및 아래쪽으로 유출된 증기의 완전 혼합이 배출 개구와 관련하여 직접 적어도 명백히 감소되고, 동시에 흐름 가이드 부재의 아래쪽에서 유출된 전체 증기 흐름의 균일성이 달성됨으로써 유출 영역내에서는 흐름 가이드 부재의 아래쪽에 예컨대 개별 유출 채널에서와 같이 마찰 손실이 감소될 수 있다.

흐름 가이드 부재가 바람직하게는 유출 방향을 따라 일정한 폭으로 연장되거나, 또는 상기 유출 방향을 따라, 특히 회전축으로부터 점점 간격이 멀어지면서 폭이 확대되어 연장된다. 일정한 폭 또는 회전축으로부터 점점 멀어지는 간격을 갖는 흐름 가이드 부재의 확대에 의해, 흐름 가이드 부재의 연장부 영역내에서 원래 위쪽으로 흐른 증기 및 직접 아래쪽으로 편향된 증기의 완전 혼합이 감소됨으로써 압력 손실도 감소된다. 흐름 가이드 부재는 바람직하게는 회전축의 최하단부에 설치되고, 이로써 아래쪽으로 배출되는 증기 흐름의 효과적인 가이드가 달성된다. 여기서 증기 터빈은 바람직하게는 회전축을 둘러싸는 수평 평면내에서 분리될 수 있으며, 상기 평면내에 분리선을 갖는다.

흐름 가이드 부재는 회전축에 대해 바람직하게는 70°~ 110°, 특히 85°~ 95°범위내의 안내각으로 기울어져있다. 바람직하게는 상기 흐름 가이드 부재가 약 90°로 기울어져있다. 즉, 상기 흐름 가이드 부재는 회전축에 대해 축 표준적이다. 이로써 분리선의 하부에 확대된 흐름 채널(확산체)로부터 아래쪽으로 유출된 증기의 유출에 미치는 와류 첨두의 영향이 감소된다. 따라서 그에 상응하는 흐름 손실의 감소와 함께, 아래쪽으로 직접 유출되는 증기와 먼저 위쪽으로 유출되는 증기 사이의 전단류가 더 아래쪽에 형성된다.

흐름 가이드 부재가 바람직하게는 배출 개구에 직접 인접하고, 그로 인해 배출 개구로부터 유출된 증기가 배출 개구로부터 배출된 후 상기 흐름 가이드 부재에 의해 이동된다. 그럼으로써 배출 개구와 흐름 가이드 부재간의 간격에 따른 증기의 혼합 및 와류 현상이 확실히 방지된다.

흐름 가이드 부재가 바람직하게는 평활하고, 그로 인해 흐름 가이드 부재 및 예컨대 증기 터빈의 외부 하우징에 의해 평면 벽을 갖는 흐름 채널이 형성된다. 또한 흐름 손실의 추가 감소를 위한 증기의 바람직한 가이드에 상응하게 아치형 표면을 갖는 흐름 가이드 부재가 형성된다. 흐름 가이드 부재의 고정된 형태는 실험 및 삼차원적 흐름 측정을 통해 결정된다.

흐름 가이드 부재는 박판으로 제조되는 것이 바람직하다. 이는 흐름 가이드 부재의 매우 간단한 구조적 형상이며, 이러한 형상은 예컨대 추후에 유지 관리의 범위내에서 증기 터빈에 흐름 가이드 부재를 설치하는 것을 가능하게 한다.

흐름 가이드 부재는 바람직하게는 흐름 채널을 둘러싸는 내부 하우징을 둘러싸는 외부 하우징에 인접한다. 바람직하게는 외부 하우징에 의해 형성된 횡단면의 폭에 완전히 걸쳐서 연장된다. 이로써 위로부터 떨어지는 증기와 아래쪽으로 유출되는 증기의 완전 혼합이 외부 하우징과 내부 하우징 사이에 존재하는 횡단면에 의해 효과적으로 방지된다. 따라서 와류 첨두내에서 위로부터 아래로 흐르는 증기 흐름과 직접 아래로 유출되는 증기 흐름의 완전 혼합은 더 아래쪽에 놓인 영역으로 옮겨지고, 그로 인해 압력 손실이 감소될 수 있다.

흐름 가이드 부재는 바람직하게는 외부 하우징에 고정된다. 이로써 흐름 가이드 부재가 장기간 안정적으로 고정될 수 있고, 또한 배기 영역내에서 증기 터빈의 외부 하우징이 보강될 수 있다.

증기 터빈이 바람직하게는 특히 복류되도록 형성된 저압-증기 터빈으로서 제조된다. 흐름 가이드 부재는 흐름 가이드와 관련하여 복수기에 사용된다.

도면에 도시된 실시예에 따라 흐름 가이드 부재를 갖는 증기 터빈이 자세히 설명된다. 부분적으로 척도에 맞지 않게 도시되었으며, 설명을 위해 개략적으로 도시되었다.

도 1 내지 도 3의 도면 부호는 각각 동일한 의미를 갖는다.

도 1에는 복류로 실시되는 저압-증기 터빈(1)의 종단면이 도시되어있다. 상기 저압 증기 터빈은 회전축(2)을 따라 연장되는 터빈 샤프트(7)를 포함한다. 저압 증기 터빈(1)의 중심 영역에 증기(5) 유입 영역(3)이 제공되고, 상기 증기(5)는 특히 도시되지 않은 오버플로 파이프를 통해 마찬가지로 도시되지 않은 중압-증기 터빈으로부터 유입된다. 터빈 샤프트(7)와 상기 터빈 샤프트(7)를 둘러싸는 내부 하우징(11) 사이에 형성된 각각 하나의 흐름 채널(6)이 회전축(2)을 따라 유입 여역(3) 양편에 대칭으로 연장된다. 각 흐름 채널(6)내에는 다수의 안내 날개(16) 및 회전 날개(15)가 차례로 교대 배치된다. 흐름 채널(6)은 유입 영역(3)으로부터 회전축(2)을 따라 배기 영역(4)쪽으로 확대된다. 배기 영역(4)에 할당된 흐름 채널(6)은 배출 개구(8)를 포함한다. 배출 개구(8)의 최하단부에는 회전축(2)에 대해 수직인 또는 약간 기울어진(약 15°까지, 바람직하게는 5°까지) 평면내에 위치한 흐름 가이드 부재(10)가 배치되고 유출 방향(14)을 따라 아래쪽으로 연장된다. 내부 하우징(11)은 외부 하우징(12)에 의해 둘러싸이고, 상기 외부 하우징(12)은 배기 영역(4)의 가장자리를 형성하며, 배출 개구(8)에서 발생한 증기(5)를 가이드하고 흐름의 방향을 전환하는 역할을 한다. 외부 하우징(12)의 외부에는 터빈 샤프트(7)가 자세히 설명되지 않은 관련 베어링(17) 상에서 지지된다. 외부 하우징(12)의 최하단부에는 증기(5) 응결용 복수기(13)가 설치된다. 상기 복수기(13)는 대량의 냉각 파이프(18)가 배치되어있는 것으로 개략 도시된 복수기 하우징(21)을 포함하며, 상기 복수기 하우징을 통해 복수기(13)의 구동시 냉각액, 특히 냉각수가 흐른다. 냉각 파이프(18)의 하부에는 복수 배수관(22)이 설치되고, 상기 복수 배수관내로 복수기 구동시 냉각 파이프(18)의 외측에 형성된 응축물이 떨어진다. 복수기(13)의 하부 공간에는 아래쪽으로 개방되고 위쪽으로 지붕 형태로 마주보며 기울어진 벽으로 형성된 공기 냉각기(19)가 제공된다. 각각의 공기 냉각기(19)는 그 릿지로부터 시작되는 각각 하나의 흡인관(20)에 의해 자세히 도시되지 않은 진공 펌프에 연결된다.

증기 터빈(1)이 구동되면 증기(5)는 흐름 채널(6)을 통해 흐른다. 배출 개구(8)로부터 배출되어 배기 영역(4)내로 유입된 후, 증기(5)의 한 부분 흐름은 위쪽으로, 다른 부분 흐름은 아래쪽으로 흐른다. 위쪽으로 흘러간 부분 흐름은 배출 개구(8)의 상부에서 아래쪽으로 방향이 바뀌고, 복수기(13)내 양쪽 흐름 가이드 부재(10)의 아래쪽에 위치한, 자세히 명시되지 않은 유출 영역(4A)으로 유입된다. 여기에는 전체 증기 흐름의 균일성 및 적어도 부분적으로, 아래쪽으로 흐른 부분 흐름과의 완전 혼합이 나타난다. 위쪽으로 흐르는 증기의 부분 흐름은 특히 내부 하우징(11)의 정점에서 각각 2 개의 증기 흐름으로 분할된다. 분할된 증기 흐름은 소용돌이치며 내부 하우징(11)의 정점으로부터 각각의 흐름 가이드 부재(10) 영역 안까지 이르는 와류 첨두를 형성한다. 각각의 흐름 가이드 부재(10)에 의해 배출 개구(8)로부터 직접 아래쪽으로 유출되는 증기(5)와 상기 와류 첨두의 입체적 분리가 달성된다. 이로써 흐름 가이드 부재(10)의 영역내에서 와류 첨두와 아래쪽으로 직접 유출되는 증기(5) 사이에 전단류가 형성되는 것이 방지됨으로써 복수기(13)로의 유입시 압력 손실이 감소될 수 있다.

도 2는 증기 터빈(1), 특히 도 1에 도시된 저압-증기 터빈(1)의 배기 영역(4)의 횡단면도이다. 배출 개구(8)는 배출구 직경(9)을 갖는 링형 횡단면을 포함한다. 증기 터빈(1)은 회전축(2)이 놓인 수평 평면(23)에 관하여 분리 가능하게 형성된다. 흐름 가이드 부재(10)는 상기 수평 평면(23)의 최하단부에 배치되어, 상기 수평 평면(23)으로부터 유출 방향(14)으로 간격이 증가되면서 확대된다. 마찬가지로 흐름 가이드 부재(10)는 유출 방향으로 적어도 국부적으로 또는 전체적으로 일정한 폭을 가질 수 있다. 또한 수평 평면(23)으로부터 이격되어 배출 개구(8)로 연결될 수도 있다. 흐름 가이드 부재(10)는 배출 개구를 수평 평면(23)까지는 반원 형태로 둘러싸고, 외부 하우징(12)까지 폭이 넓어진다. 또한 외부 하우징(2)과 예컨대 나사 조임 또는 용접에 의해 고정 연결된다. 이로써 배기 영역(4)내 외부 하우징(12)이 보강될 뿐만 아니라 흐름 가이드 부재(10)가 지속적으로 고정될 수 있다.

도 3에는 배기 영역(4)의 단면이 복수기(13) 방향으로 회전축(2)의 최하단부에 도시되어있다. 도시된 흐름 영역에는 증기(5)의 흐름이 화살표로 표시되어있으며, 이 때 화살표의 길이는 증기(5) 유속의 척도를 나타낸다. 최종단부의 회전 날개(15) 뒤에서 배출되는 증기(5)가 배기 영역(4)내에서 약 90°편향되고 동시에 속도가 감소된다. 증기(5)의 편향을 위해 내부 하우징(11)이 연장될 뿐만 아니라 외부 하우징(12)도 상응하게 형성된다. 내부 하우징(11)의 연장부에 흐름 가이드 부재(10)가 연결됨으로써, 상기 흐름 가이드 부재(10)와 외부 하우징(12) 사이에 편향된 증기(5)를 위한 채널 영역이 형성된다. 흐름 가이드 부재(10)는 회전축(2)에 대해 바람직하게는 70°~ 110°, 도시된 경우 약 90°의 안내각(α)으로 기울어진다. 흐름 가이드 부재(10)의 최하단부에서 아래쪽으로 편향된 증기(5)의 흐름이 위쪽으로 먼저 편향된 다음 아래쪽으로 편향된 증기(5)의 흐름과 만난다. 상기 2 개의 부분 흐름의 상호 작용은 흐름 가이드 부재(10)가 제공되지 않은 경우에 비해 가이드 세그먼트(10)의 구조에 의해 명백히 감소된다. 이로써 마찬가지로 전단류의 형성이 적어도 명백히 방지됨에 따라 압력 손실도 감소될 수 있다. 복수기(13) 방향인 아래쪽으로, 및 외부 하우징(12)을 향해 바깥쪽으로 반경 방향으로 연장되는 흐름 가이드 부재(10)가 배출 개구(8) 주위에 부착됨으로써, 흐름 가이드 부재(10) 영역내에서의 압력 손실이 방지되거나 적어도 감소됨에 따라 증기 터빈의 효율이 증가되고 유출 영역(4A)내 흐름의 균일성이 달성된다.

Claims (12)

1. 회전축(2), 증기(5)용 유입 영역(3) 및 배기 영역(4), 그리고 상기 회전축(2) 방향으로 연장되는 증기(5)용 흐름 채널(6)을 포함하는 증기 터빈(1)에 있어서,

   상기 흐름 채널(6)이 배출구 직경(9)을 갖는 배출 개구(8)를 위한 배기 영역(4)쪽으로 확대되고, 배출 개구(8)에는 상기 배출 개구(8)로부터 배출되는 증기(5)를 위해 흐름 가이드 부재(10)가 제공되며, 상기 흐름 가이드 부재(10)는 한편으로는 배출 개구 직경(5)에 걸쳐서 연장되고, 다른 한 편으로는 유출 방향(14)을 따라 유출 영역(4A)으로 연장됨으로써 증기(5)가 흐름 가이드 부재(10)의 양측에 이를 수 있고, 상기 흐름 가이드 부재(10)의 아래쪽에서 증기의 완전 혼합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 증기 터빈(1).
2. 제 1항에 있어서,

   상기 흐름 가이드 부재(10)가 유출 방향(14)을 따라 폭이 넓어지거나 일정한 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 증기 터빈(1).
3. 제 1항 또는 2항에 있어서,

   상기 흐름 가이드 부재(10)가 회전축(2)의 최하단부에 설치되는 것을 특징으로 하는 증기 터빈(1).
4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 흐름 가이드 부재(10)가 회전축(2)에 대해 70°~ 110°, 특히 85°~ 95°, 바람직하게는 약 90°의 안내각(α)으로 기울어지는 것을 특징으로 하는 증기 터빈(1).
5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 흐름 가이드 부재(10)가 배출 개구(8)에 직접 인접하는 것을 특징으로 하는 증기 터빈(1).
6. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 흐름 가이드 부재(10)가 평활한 것을 특징으로 하는 증기 터빈(1).
7. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 흐름 가이드 부재(10)가 박판인 것을 특징으로 하는 증기 터빈(1).
8. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 흐름 채널(6)을 둘러싸는 내부 하우징(11)을 포함하고, 상기 내부 하우징(11)은 외부 하우징(12)으로 둘러싸이며, 상기 흐름 가이드 부재(10)가 상기 외부 하우징(12)에 인접하는 것을 특징으로 하는 증기 터빈(1).
9. 제 6항에 있어서,

   상기 흐름 가이드 부재(10)가 외부 하우징(12)에 고정되는 것을 특징으로 하는 증기 터빈(1).
10. 제 1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서,

    저압-증기 터빈으로서 제조되는 것을 특징으로 하는 증기 터빈(1).
11. 제 1항 내지 10항 중 어느 한 항에 있어서,

    복류되도록 제조되는 것을 특징으로 하는 증기 터빈(1).
12. 제 1항 내지 11항 중 어느 한 항에 있어서,

    흐름 가이드의 상기 흐름 가이드 부재(10)가 복수기(13)로의 흐름 가이드에 이용되는 것을 특징으로 하는 증기 터빈(1).