KR20010053529A

KR20010053529A - 터빈단 사이 밀봉 장치

Info

Publication number: KR20010053529A
Application number: KR1020017000594A
Authority: KR
Inventors: 브러시우드존에스.; 추프레이몬드이.
Original assignee: 랭크 크리스토퍼 제이; 지멘스 웨스팅하우스 파워 코포레이션
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2001-06-25
Also published as: JP2002520540A; EP1097293B1; JP4362231B2; US6220814B1; EP1097293A1; DE69920463T2; WO2000004278A1; DE69920463D1; KR100601786B1

Abstract

시일 하우징(24)를 포함하는 가스 터빈 밀봉 장치는 터빈 로터(14, 15)에 인접한 상태로된 적어도 하나의 시일(30)을 가지고 있다. 시일 하우징(24)은 터빈 시동 이전에 미리 가열되어 시일 하우징(24)과 로터(14, 15)로부터 방사상 떨어지도록 시일(30)을 열적으로 이동시킨다.

Description

터빈단 사이 밀봉 장치{A TURBINE INTERSTAGE SEALING ARRANGEMENT}

터빈 같은 에너지 전환을 위한 다양한 다단식 회전 기계에 있어, 유체는 회전 운동을 발생하는데 사용된다. 터빈 단에 있어, 고압-저속 유체는 정지 노즐 또는 베인을 통하여 팽창되어 있어, 회전을 야기시키는 로터 조립체의 블레이드로 인도되는 저압-고속 제트를 발생시킨다. 이 터빈은 복수의 이러한 단에 의해 구성되고, 각각의 단에 있어, 유체의 운동에너지는 로터 조립체의 회전 운동에너지로 변환된다.

단들 사이의 임의의 유체 누출은 터빈 성능 및 효율을 감소시키기 때문에 시일 하우징의 환형 단 사이 시일은 이러한 누출을 감소하도록 제공된다. 통상적으로, 유동 누출은 시일과 회전하는 로터 사이의 갭이 최소화 될 때 감소된다. 터빈 시동시, 로터 조립체가 방사상으로 확대되어 그 시일을 실제로 접촉할 수 있어서 이것을 변형을 야기시킨다. 이러한 원하지 않는 접촉을 방지하기 위해, 시일 하우징은 로터 조립체의 이러한 초기 확장이 가능하도록 로터 조립체로부터 충분한 거리를 유지하도록 설계된다. 그러나 일정한 상태의 작동에 있어, 시일 하우징의 초기 위치 결정으로 인해 시일 및 로터 조립체 사이의 거리가 최적으로 되어 있지 않기 때문에 터빈 성능을 감소시킨다.

본 발명은 본 장치를 제공하여 일정한 상태 작동시 시일이 로터 조립체에 보다 근접하게 위치될 수 있어서 유체 바이패스를 최소화하여 전체적인 효율을 향상시킨다.

본 발명은 전체적으로 다단식 회전 기계류에 관한 것이고, 더 자세하게는 단들(stages) 사이에 통상적으로 제공되는 시일을 보호하고, 개량된 누출 컨트롤을 확립하기 위한 장치에 관한 것이다.

도 1은 가스터빈의 일 부분의 축선방향 단면도,

도 2는 전형적인 가스 터빈단 사이 위치의 시동 사이클을 예시하는 그래프,

도 3은 본 발명의 실시에 사용될 수 있는 가열 요소를 예시하는 도면,

도 4는 도 1의 터빈용 가열 시스템의 개략도,

도 5는 도 4의 시스템용 히터 제어부의 블록도, 그리고

도 6은 본 발명에 따른 가스 터빈 단 사이 위치의 시동 사이클을 예시하는 그래프.

다단식 터빈용 단 사이 밀봉 장치가 제공되고 이것은 터빈의 정지부에 연결된 시일 하우징을 포함한다. 시일 하우징은 통상적으로 터빈의 로터 조립체에 인접한 적어도 하나의 시일을 포함한다. 가열 수단은 전기 에너지가 공급될 때, 시일 하우징과 열 접촉 상태로 제공되어 작동 가능하여 시일 하우징을 가열하여 적어도 터빈의 시동 기간 이전에 시일을 따라 방사상으로 이동하게 한다.

도면에 있어 스케일로 항상 필요한 것은 아니지만, 동일 또는 상응하는 부품은 동일 또는 이에 상응하는 참조 번호로 표시되어 있다.

본 발명은 다양한 회전 기계류에 적용 가능하다 할지라도, 터빈에 관하여 더 자세하게는 도 1에 예시된 부분, 가스터빈에 관하여 기재될 것이다.

도 1은 로터 조립체의 각각의 로터 디스크(12, 13)에 연결된 두 개의 터빈 블레이드(10, 11)를 도시하고 이 각각은 각각의 디스크 암(14, 15)을 가지고 있다. 환형 밴드(16)는 디스크 암(14, 15)과 짝을 이루고, 공동(17)에 있는 냉각 가스를 디스크 공동(18)내로 지나가는 것을 최소화 하도록 작용한다.

베인(20)은 터빈의 정지부에 연결되고 전방 환형 플랜지(22)와 후방 환형 플랜지(23)를 포함하는데 이들 사이에 시일 하우징(24)이 위치되어 있다. 시일 하우징(24)은 시일 하우징(24)을 베인 조립체와 독립하여 열적으로 증대하게 하는 조정가능한 스프링-설치 위치결정 메카니즘(26)에 의해 플랜지(22, 23)들 사이의 위치에 유지된다.

시일 하우징(24)은 디스크 암(14, 15)을 향해 뻗어 있는 복수의 핑거(31)를 가지고 있는 미로(labyrinth) 시일(30) 같은 적어도 하나의 시일을 포함한다. 게다가, 도 1은 또 하나의 시일 타입도 도시하는데, 브러시 시일(34)은 시일을 통하여 하류 가스 유동으로의 상류 유동(도 1의 좌측에서 우측)을 최소화하는 것을 돕도록 디스크 암(15)에 접촉할 수 있는 브리스틀(bristle; 35)을 가지고 있다.

냉각 가스는 베인(20)에 있는 내부통로를 경유하여 시일 하우징(24)위의 환형 챔버(40)에 제공되고, 이 가스는 플랜지(22, 23) 사이, 하우징(24) 그리고 전방 디스크 공동(42) 뿐만 아니라 후방 디스크 공동(18)내로 지나간다. 게다가, 챔버(40)로부터의 냉각가스는 시일 하우징(24)에 있는 가스통로(44)에 의해 시일(30)의 좌측의 체적으로 인도된다. 나이프 시일(46)을 경유하여 디스크 공동(42)내로의 웨이에도 이 가스의 일 부분이 발견된다.

화살표(50, 51)로 나타내어지는 디스크 공동(18, 42)내의 가스는 터빈 블레이드(10, 11)의 베이스를 냉각하는 것을 도울 뿐만 아니라, 터빈 블레이드를 구동하는 고온 가스의 압력을 균형 잡도록 기능한다. 다시 말하면, 확립된 압력 조건에 의해 고온 가스가 디스크 공동(18, 42)에 들어가는 것이 방지된다. 시일이 마모되거나 그렇지 않고 로터 조립체로부터 멀리 떨어져 있는 경우, 디스크 암(14, 15)로 도시된 바와 같이 냉각 가스 필요 조건은 상당히 많아서 터빈의 전체 효율을 감소시킨다.

실례로, 도 2를 더 참조하여, 도 1에 도시된 바와 같은 전형적인 단 사이 위치에 대한 시동 사이클을 예시한다. 시간은 수평 축선상에 좌표로 나타나고, 커브(60)로 도시되는 표준 시일 내지 로터 거리(즉, 시일 팁 내지 디스크 암 거리)는 좌측 수직 축선상에 좌표로 나타나고, 커브(61)로 도시되는 터빈 속도는 우측 수직 축선상에 좌표로 나타나 있다. 브러시 시일이 유사하더라도 간극이 보다 작어지는 것을 제외하고 이 커브는 미로 시일을 위해 좌표로 나타나 있다.

다향한 속도 도표가 따라올 수 있고, 한 실례에 의해 터빈이 시간(t0)에서 시작하여 시간 t1까지 속도가 증가하고 속도는 t1으로부터 t2까지 일정하게 유지된다. t0에서 t1까지의 시간 동안, 로터 조립체는 원심력에 의해 직경이 증가하여 시일 내지 로터 거리는 이에 상응하게 감소하고, 그 다음 시간 t1 내지 t2에서 일정하게 유지된다. t2로부터 t3 까지의 속도의 급격한 상승시, 로터는 계속하여 증대하고 최대 폐쇄(최소 간극)는 시간(t3)에 있다. 시간(t3)으로부터 그리고 시간(t4)에서 터빈이 일정한 상태의 속도에 도달 함에 따라, 시일 하우징은 열 효과로 인해 팽창하기 시작하여 이에 의해 시일 내지 로터 간격을 증가 시킨다.

시간(t5)에서, 시일 하우징은 최대 방사상 위치(표준 거리 값 1)로 이동하고, 로터가 열 작용에 의해 연속적으로 증대됨에 따라, 이들 사이의 간격은 일정 상태 조건이 시간(t6)에 도달할 때 까지 감소하는데, 여기에서 시일 내지 로터의 거리는 약 0.75(시간(t5)에서의 최대치 1 및 시간(t3)에서 최소치 약 0.33과 비교됨)이된다. 시일 하우징과 로터 사이의 이러한 일정한 상태 거리가 보다 작아진다면 훨씬 개량된 밀봉 기능이 성취될 수 있다. 하지만, 시일 하우징 및 로터 조립체 사이의 개시 냉각 발생 거리가 보다 작아진다면, 로터 조립체가 개시적으로 증대함에 따라 시일이 t3에서 로터 조립체에 실제적으로 접촉하는 위험이 발생하여 손상된다. 본 발명은 잠재적인 이러한 손상 상태를 예방하고 일정한 상태 작동시 보다 작은 간극을 고려한다.

도 1을 다시 참조하면, 본 발명은 사실상 시일(30, 34)을 따라 터빈 시동 이전에 로터 조립체로부터 떨어지도록 시일 하우징(24)을 방사상으로 이동시킨다. 이러한 것과 이에 상응하는 시일 하우징(24)의 방사상 운동은 열 팽창을 야기하는 가열 수단의 제공으로 성취된다. 더 자세하게는 히터 케이블(70)은 시일 하우징(24)과 열 접촉상태로 위치되어 있고, 전기 에너지가 공급될 때, 시일 하우징이 방사상으로 증대하게 된다.

도 1의 실시예에 있어, 히터 케이블(70)은 시일 하우징(24)내에 기계 가공된 원주상 홈(72)내에 위치되고 예컨대, 열적 전도 접착제에 의해 적소에 위치된다. 시일 하우징의 온도 조건의 표시를 얻기 위해, 장치는 히터 케이블(70)에 연결될 수 있는 하나 또는 그 이상의 온도 센서(74)를 포함한다.

도 3은 산화 마그네슘 절연체(78)내에 포함되어 있고 합금 외장(80)으로 에워싸인 가열 요소(76, 77)를 포함하는 상업적으로 유용한 히터 케이블을 예시한다. 온도 센서(74)는 외장(80)의 외부에 고정되어 있다. 이 케이블은 홈과 맞추어지는, 원하는 만곡으로 제조되거나 또는 가요성이 충분하다면 이 케이블이 삽입함에 따라 구부러질 수 있다.

두 개의 아치 모양의 180°섹션 상태로된 시일 하우징(24)으로 인해, 히터 케이블(70)은 도 4에 도시된 바와 같이 두 개의 아치모양의 180°섹션(70a, 70b)으로 또한 이루어질 수 있다. 히터 케이블 섹션(70a, 70b)은 히터 제어 시스템(82)에 전기적으로 연결되어 있고, 참조로서 제공된 도 5에 예시된 바와 같이, 이러한 것이 전기에너지를 이 케이블에도 제공 할 수 있다.

도 5에 있어, 파워 서플라이는 전기 에너지를, 각각의 라인 스위치(88a, 88b)를 제어하는 각각의 자동 온도 조절기(86a, 86b)를 경유하여 히터 케이블(70) 즉, 두 개의 절반(70a, 70b)에 제공한다.

스위치(88a)의 개방 및 폐쇄는 원하는 히터 온도 전압 표시를 수용하기 위해 세트포인트 제어부(92a)로부터 양전기 인풋(91a)을 갖는 제어기(90a)에 의해 결정된다. 음전기 인풋(93a)은 판정 회로(94a)를 경유하여 현 히터 온도의 표시를 수용한다. 도 5의 실시예에 있어, 두 개의 서로 이격된 온도 센서들은 히터 온도 값의 신호 표시를 발생하도록 활용된다. 이들 신호는 전기 리드선(95a, 96a)을 경유하여 판정 회로(94a)에 제공되는데, 그 다음 어느 하나의 값이 있거나, (두 개의 신호 중) 어떤 평균 값이 출력될 수 있다면, 이 판정회로는 보다 높은 값 또는 보다 낮은 값을 선택한다.

인풋(91a, 93a)에 적용된 신호들 사이의 차이는 제어기(90a)의 회로(97a)에 비례적으로 제공되고, 신호가 동일하거나 서로의 어떤 소정 스레스홀드 범위내 있을 때 원하는 온도에 도달했다는 것을 나타내어 비례하는 회로(97a)는 스위치(88a)가 개방되게 할 것이다.

자동 온도 조절기(86a)에 관하여 상기 기재된 작동은 자동 온도 조절기(86b)의 작동에 적용 가능하여 히터(70b)에 제공된 전기 에너지를 조절한다.

도 6은 터빈 다단 위치를 위한 시동 사이클을 예시하고 본 발명을 구체화한다. 터빈 속도 커브(61) 뿐만 아니라 축선은 도 2에 도시된 것과 동일하지만, 시일 간극 커브(99)는 도 1의 한 쪽 커브(60)과는 완전히 다르다.

더 자세하게는, 시간(t0)에서의 표준 터빈 시동 이전에, 시일 히터(70)는 로터 조립체에 떨어지게 시일과 함께 시일 하우징(24)을 열 팽창 및 이동하게 하는 어떤 시간-t에서 전압이 가해져서 실제적인 터빈 시동 시간(t0)에서 이미 시일 간극이 약 0.89 값이 된다. 처음에 로터에 보다 인접하여 냉간 성형되기 때문에, 도 2의 경우에는 최대값이 1에 미치지 못한다. t0에서 t1까지의 첫 번째 속도의 급격한 변화시, 로터 조립체는 간극을 감소시키기 위한 원심력에 의해 증대된다. 간극은 t2에서 t3 까지의 두번째 속도의 급격한 변화시 더 감소되고, 터빈이 시간(t4)에서 일정한 상태 속도에 도달한 이후, 로터 조립체의 열 성장은 일정한 상태 간극이 도2에서 도시된 종래 기술에서의 0.75 값 보다 현저히 적은 약 0.46에서 확립되는 시간(t6) 까지 일정한 폐쇄를 야기한다. 브러시 시일을 위해, 일정한 상태 폐쇄도 훨씬 커진다.

따라서, 본 발명으로 인해, 시일은 초기 터빈 시동 이전에 열 이동하므로 로터 조립체에 인접하게 초기에 위치될 수 있다. 종래의 시일 하우징이 시간(t0)에서 초기 큰 시일 내지 로터 간극을 가지고서 만들어졌다면, 시동 과정시 열적으로 증대하고 바람직하지 않은 큰 간극을 갖춘 일정한 상태로 되고 만다. 반대로, 시일 하우징이 로터 조립체에 보다 인접하게 초기 위치한다면, 시일(들)은 시동 과정시 로터 조립체로 인해 손상을 입을 수 있다.

본 발명은 소정의 특정 정도로 설명되었지만, 첨부된 청구항으로 한정되는 발명의 범주와 기술 사상으로부터 벗어남이 없이 다양한 개변이 가능하는 것이 이해될 수 있을 것이며, 실시예에 의해, 원한다면, 터빈 운전 정지 과정시 히터 또한 작동되어 이러한 운정 정지 과정의 후반부 동안 로터로부터 떨어지도록 시일을 유지하거나 이동 시킬 수 있다.

Claims

정지부(30)를 가진 터빈, 로터 조립체(12, 13, 14, 15), 복수의 단을 위한 단 사이 밀봉 장치로서:

(A) 상기 터빈의 상기 정지부(20)에 연결된 시일 하우징(24);

(B) 상기 로터 조립체(14, 15)에 인접한 상태로, 상기 시일 하우징(24)에 의해 유지되는 적어도 하나의 시일(30); 그리고

(C) 상기 시일 하우징(24)과 열 접촉 상태로 상기 시일 하우징(24)에 작동가능하여 이 시일 하우징을, 적어도 상기 터빈의 시동 이전의 시간 동안 상기 시일(30)을 따라 방사상으로 이동하게 하는 가열 수단(70)을 포함하는 것을 특징으로 하는 단 사이 밀봉 장치.
제 1 항에 있어서,

(A) 상기 가열 수단(70)은 적어도 하나의 히터 케이블에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 2 항에 있어서,

(A) 상기 히터 수단(70)은 두 개의 아치 모양의 180°히터 케이블 섹션(70a, 70b)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제 2 항에 있어서,

(A) 상기 시일 하우징(24)은 원주상 홈(72)을 포함하고;

(B) 상기 히터 케이블(70)은 상기 홈(72)내에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서,

(A) 적어도 하나의 온도 센서(74)는 상기 시일 하우징(24)의 온도 표시를 얻기 위해 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제 2 항에 있어서,

(A) 적어도 하나의 온도 센서(74)는 상기 시일 하우징(24)의 온도 표시를 얻기 위해 위치되어 있고;

(B) 상기 온도 센서(74)는 상기 히터 케이블(70)과 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제 5 항에 있어서,

(A) 상기 히터 수단(70)의 작동을 조절하는 히터 제어 시스템(82)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 7 항에 있어서,

(A) 상기 히터 시스템(84)은 (ⅰ) 상기 가열 수단(70)에 전기적으로 연결된 전기 에너지 원(84), 그리고 (ⅱ) 상기 전기 에너지 원(84)과 상기 가열 수단(70) 사이에서 전기 연결을 단속하도록 소정의 온도 조건에 반응하는 자동 온도 조절기(86)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 8 항에 있어서,

(A) 상기 자동 온도 조절기(86)는 (ⅰ) 상기 전기 에너지 원(84)과 상기 가열 수단(70) 사이에 전기 연결을 단속하는 스위치(88), (ⅱ) 원하는 시일 하우징 온도를 나타내는 세트 포인트 신호를 수용하기 위한 제 1 인풋(91) 및 실제적인 시일 하우징 온도를 나타내는 인풋 신호를 수용하기 위한 제 2 인풋(93), (ⅲ) 상기 신호들 사이의 차이에 응답하여 상기 스위치(88)의 작동을 조절하는 회로(97)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서,

(A) 각각의 서로 이격된 위치에서 시일 하우징 온도를 나타내는 신호를 제공하기 위한 적어도 두 개의 온도 센서(74);

(B) 상기 적어도 두 개의 온도 센서(74)에 의해 제공된 상기 신호에 응답하여 상기 제어기(90)의 상기 제 2 인풋(93)에 적용되는 신호를 발생하는 판정 회로(94)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서,

(A) 상기 시일 하우징(24)은 미로 시일(30)을 유지하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 11 항에 있어서,

(A) 상기 시일 하우징(24)은 브러시 시일(34)을 추가적으로 유지하는 것을 특징으로 하는 장치.