KR20010072708A

KR20010072708A - 터빈 하우징

Info

Publication number: KR20010072708A
Application number: KR1020017002013A
Authority: KR
Inventors: 노르베르트 헨켈; 우베 찬더; 에드빈 고브레히트; 보리스 반게르트
Original assignee: 칼 하인쯔 호르닝어; 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 1998-08-18
Filing date: 1999-08-05
Publication date: 2001-07-31
Also published as: CN1312883A; EP1105623A1; EP1105623B1; WO2000011324A1; US6478534B2; JP2002523661A; CN1119511C; DE59905762D1; US20010022933A1

Abstract

본 발명은 내부 하우징(3) 및 갭(5)을 형성하면서 상기 내부 하우징(3)을 둘러싸는 외부 하우징(4)을 갖는 터빈 하우징에 관한 것이다. 하우징 비틀림을 피하기 위해 상기 갭(5) 내에 존재하는 매체(L)의 강제 흐름(S)이 제공된다. 본 발명은 또한 터빈(2)의 작동 차단시 하우징 비틀림을 피하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

터빈 하우징 {TURBINE HOUSING}

예컨대 증기 터빈의 터빈 하우징은 통상적으로 내부 하우징 및 갭 또는 링형 챔버를 형성하면서 상기 내부 하우징을 둘러싸는 외부 하우징으로 이루어진다. 상기 두 하우징부는 재차 각각 상부 절반 및 하부 절반을 갖는다. 특히 터빈의 차단후 하우징에서, 그리고 두 하우징 절반 사이에 온도차가 나타나는데, 상기 온도차는 하부 절반과 비교적 가열된 상부 절반 사이에서 50 K 이상으로 나타날 수 있다.

터빈의 작동이 차단될 경우, 외부 하우징은 내부 하우징 보다 더 빨리 냉각된다. 이를 통해, 내부 하우징과 외부 하우징 간의 갭에서 나타나는 자유 또는 자연 대류에 따라 상기 외부 하우징의 상부 절반 내로의 열 전달을 야기하는 부력 흐름이 유도된다. 이는 재차 특히 외부 하우징의 상부 절반에서 하우징 비틀림을 가져올 수 있음으로써, 거기서 하우징 재료의 예상치 못한 응력 및 간극 브리지가 생성된다. 또한 내부 하우징의 비틀림은 부적절한 경우 터빈 블레이드가 하우징을 스쳐지나갈 때, 예상치 못한 스트립 손상을 가져올 수 있다.

독일 특허 공개 제 34 20 389 A1호에는 내부 하우징 및 상기 내부 하우징을둘러싸는 외부 하우징을 갖는 증기 터빈이 공지되어 있으며, 이중 케이싱 하우징 구조에 의해 갭이 형성된다. 내부 하우징은 그것의 축방향 연장부에서 적어도 부분적으로 갭 내에 배치된 케이싱에 의해 둘러싸인다.

이러한 케이싱은 유입측으로 볼 때 피스톤 시일에 연결되며 배출측으로 볼 때 주변에 분포된 다수의 개구를 갖는다. 증기 터빈의 작동시 상기 케이싱에 의해, 비교적 냉각된 폐증기는 내부 하우징을 순환할 수 없게 된다. 여기서, 상기 케이싱과 내부 하우징 사이에는 피스톤 시일로부터 배출된 가열 증기가 관통한다. 이를 통해, 상기 케이싱과 내부 하우징에 의해 형성된 챔버에는 과열 효과가 나타남으로써, 상기 내부 하우징은 냉각된 폐증기에 의한 큰 냉각에 대해 보호된다. 이는 내부 하우징의 상이한 온도 부하를 피하기 위해 사용됨으로써, 특히 스타팅 및 부하 교체 작동시 상기 내부 하우징의 열에 의해 유도된 변형은 감소된다.

본 발명은 내부 하우징 및 갭을 형성하면서 상기 내부 하우징을 둘러싸는 외부 하우징을 갖는 특히 증기 터빈용 터빈 하우징에 관한 것이다.

도 1은 터빈 하우징(1)의 개략적인 단면도이다.

본 발명의 목적은 특히 터빈의 냉각시 외부 하우징의 비틀림을 막거나 적어도 작도록 유지시키는데 있다. 또한 터빈의 작동 차단시 하우징 비틀림을 피하기 위한 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라 내부 하우징 및 갭을 형성하면서 상기 내부 하우징을 둘러싸는 외부 하우징을 갖는 터빈 하우징에 의해 달성되며, 이때 갭 내에 존재하는 매체의 강제 흐름이 존재한다. 방법에 관련한 본 발명의 목적은 본 발명에 따라 터빈의 작동 차단시 터빈 하우징의 비틀림을 피하기 위한 방법에 의해 달성되며, 외부 하우징과 상기 외부 하우징을 둘러싸는 내부 하우징 간의 갭 내에 터빈 하우징에서의 온도 분포를 균일화하기 위해 흐름이 생성된다. 여기서, 내부 하우징과 외부 하우징 사이에 형성된 갭 내에서 상기 갭 내에 존재하는 매체, 예컨대 거기에 통상적으로 존재하는 공기 흐름이 야기된다.

본 발명은 특히 외부 하우징에서의 온도 분포의 균일화가 외부 하우징과 내부 하우징 간의 갭 내에 나타나는 자유 대류 흐름의 반대 방향으로 작용됨으로써 달성된다는 숙고로부터 출발한다. 이러한 대류 흐름(자연 대류)은 한편으로는 하우징부간의, 특히 외부 하우징의 양 하우징 절반 간의 온도차를 야기하고, 다른 한편으로는 상향 대류 돌출부의 형성을 야기한다. 상기 대류 흐름에 의해, 재차 특히 갭의 수직 정점에서 외부 하우징의 상부 절반 내로의 국부적 열 전달이 나타난다. 적합한 방식으로 갭 내에서 매체의 액티브한 순환 또는 난류에 의해 이러한 효과에 반대하여 작용됨으로써, 대류 흐름은 더 이상 나타나지 않는다.

이를 위해, 매체는 바람직하게 터빈 하우징 외부에서 라인 시스템에 의해 폐쇄된 순환계로 바람직하게 가이드된다. 여기서, 강제 흐름을 생성하기 위해 바람직하게 순환 송풍기가 제공되며, 상기 순환 송풍기의 흡입측 및 압력측은 각각 외부 하우징 내의 개구에 연결된다. 여기서, 흡입측 개구는 매체용 배출 개구를 형성하는 반면, 압력측 개구는 유입 개구를 형성한다. 상기 유입 개구 및 배출 개구는 각각 연결 개구로서, 상기 유입 개구에는 유입 라인이, 배출 개구에는 배출 라인이 연결될 수 있도록 형성된다.

개구 중 하나는 외부 하우징의 하부 절반에, 다른 개구는 외부 하우징의 상부 절반에 제공되는 것이 특히 바람직하다. 터빈 하우징의 중심에 있는 중축에서나누어진 좌표계에서 양 개구는 예컨대 제 2 및 제 4 사분원 내에 존재하며 서로에 대해 직경으로 놓인다. 제 1 개구는 제 1 사분원 내에, 그리고 제 2 개구는 제 3 사분원 내에 배치될 수 있다. 여기서, 유입 개구는 바람직하게 외부 하우징의 상부 절반에, 그리고 배출 개구는 외부 하우징의 하부 절반에 제공된다. 전체적으로 터빈 하우징에 있는 양 연결 개구에 의해, 그리고 순환 송풍기를 갖는 상응하는 라인 가이드에 의해 단지 매우 적은 부가의 장치 비용만이 생성된다. 바람직한 실시예에서 외부 하우징은 두 부분으로 이루어지며, 상부 절반은 상부에 의해, 하부 절반은 하부에 의해 형성되며, 상부 및 하부는 접합부에 의해 서로 연결된다.

바람직하게 터빈 하우징은 증기 터빈의 하우징으로 사용된다. 여기서, 상기 터빈 하우징은 고압 증기 터빈 및 중압 증기 터빈을 위해 사용되는 것이 적합하다. 이러한 증기 터빈에 있어서 터빈을 작동시키는 가열 증기의 온도는 대략 300℃와 700℃ 사이에 있다. 이러한 높은 온도에 의해 하우징, 특히 내부 하우징의 재료는 부하를 받는다. 내부 하우징 및 외부 하우징 내에 저장된 열은 증기 터빈의 작동 차단후, 다시 말해 터빈 내의 증기 흐름을 차단한 후 가능한한 균일하게 하우징으로부터 방출되어야만 한다. 고압 증기 터빈에서 일반적으로 매우 간단한 구조에 의해, 그리고 상기 증기 터빈에 연결된, 내부 하우징 및 외부 하우징을 통하는 높은 열 흐름 밀도에 의해 제공된 터빈 하우징이 바람직하게 사용될 수 있다. 중압 증기 터빈에서는 특히 더 큰 치수에 의해 조절되는 상대적 길이 변경은 터빈의 작동 차단후 나타나는 하우징 비틀림에 대해 임계적이다. 기술된 터빈 하우징에 의해 이러한 임계적인 열 팽창은 매우 효과적으로 피해진다. 이러한 터빈 하우징은고압 및 중압 증기 터빈에서 뿐만 아니라 저압 증기 터빈에서도 사용될 수 있다.

본 발명에 의해 달성된 장점은 특히 내부 하우징 및 상기 내부 하우징을 둘러싸는 외부 하우징으로 이루어진 터빈 하우징의 갭에서 나타나는 강제, 바람직하게는 소정의 흐름에 의해 특히 간단한 방식으로 외부 하우징 내의 온도 분포의 균일화가 제공된다는데 있다.

여기서, 통상적으로 터빈의 작동 차단시 나타나는 자연 대류는 확실히 방지되고 한편으로는 외부 하우징과 내부 하우징간의 온도차, 그리고 다른 한편으로는 외부 하우징의 상부 절반과 하부 절반 간의 온도차는 적어도 하우징 비틀림이 확실히 피해질 정도로 적게 유지된다. 흐름 생성을 위해 필요한 부가의 장치 비용은 특히 작게 유지될 수 있다. 이는 특히 갭 내에 존재하는 매체, 예컨대 공기의 액티브한 순환 또는 난류를 위해 단지 하나의 순환 송풍기가 요구되기 때문이다. 이러한 순환 송풍기는 바람직하게는 터빈 하우징의 외부로 가이드된 라인 시스템의 내에 존재한다.

하기에 본 발명의 실시예는 도면에 의해 더 자세히 설명된다. 여기서, 도면은 갭 내에서 흐름 생성을 위한 수단을 갖는 내부 하우징 및 외부 하우징으로 형성된 터빈 하우징의 횡단면을 도시한다.

도 1은 예컨대 증기 터빈(2)의 터빈 하우징(1)의 개략적인 단면을 도시하며,상기 증기 터빈(2)의 부품, 예컨대 증기 터빈의 터빈 샤프트 및 터빈 블레이드는 개관의 용이함을 위해 도시되지 않는다. 상기 터빈 하우징(1)은 내부 하우징(3) 및 바람직하게 동심을 중심으로 상기 내부 하우징을 둘러싸는 외부 하우징(4)을 갖는다. 상기 내부 하우징(3) 및 외부 하우징(4)은 갭(5)이 형성될 정도로 서로 이격된다. 상기 갭(5)은 기체형 매체(L), 예컨대 공기에 의해 채워지며, 상기 공기는 대류성이다. 상기 내부 하우징(3) 및 외부 하우징(4)은 각각 제 1 상부 부분 영역인 상부 절반(6) 및 제 2 하부 부분 영역인 하부 절반(7)으로 분할될 수 있다. 여기서, 상기 내부 하우징(3) 및 외부 하우징(4)은 각각 두 부분으로 형성될 수 있으며, 상기 상부 절반(6)은 상부(6A)에 의해 하부 절반(7)은 하부(7A)에 의해 형성된다. 상기 상부(6A) 및 하부(7A)는 도면에 도시되지 않은 접합부에 의해 서로 연결되며, 상기 접합부는 예컨대 X-축에 따라 연장된다.

터빈 하우징(1)을 통한 열 흐름을 관찰해보면, 내부 하우징(3)을 통한 내부 열 흐름(Qi) 및 외부 하우징(4)을 통한 외부 열 흐름(Qa)이 나타난다는 것을 알 수 있다. 상기 내부 하우징(3)과 외부 하우징(4) 사이에는 내부 하우징(3)으로부터 외부 하우징으로의 방출열 흐름(QS)에 대해 부가로 열 대류 흐름(OK)이 나타난다.

터빈(2)의 작동 차단시 자유 또는 자연 대류 흐름-하기에 자연 대류(QN)로서 표시된-이 나타나며, 상기 흐름의 열 흐름 진행은 파선 및 화살표로 제공된 선에 의해 제시된다. 상기 자연 대류(QN)는 화살표(8)에 의해 표시된, 그것의 상부 절반(6)의 영역에서 외부 하우징(5) 내로의 국부적 열 전달에 의한 대류 돌출부를 형성하기 위해 특히 갭(5)의 정점 영역에서 야기된다. 상기와 같은 국부적 열 전달은 높은 열 부하에 따라 예상치 못한 하우징 비틀림을 야기한다.

상부 절반(6)과 하부 절반(7) 간의 온도차(△T_AG)를 야기하는 상기와 같은 자연 대류(QN)의 형성은 갭(5) 내에 실선(S)으로 표시된 흐름이 액티브하게 생성되고 강제로 실행됨으로써 방해된다. 이를 위해, 외부 하우징(4)은 바람직하게 직경으로 서로 마주놓인 두 개구(9, 10)를 가지며, 상기 개구(9, 10)는 라인 시스템(11) 내에 제공된 순환 송풍기(12)에 의해 서로 연결된다.

본 실시예에서 제 1 연결 또는 유입 개구(9)는 터빈 종축(13) 위에서 교차하는 XY-좌표계의 제 2 사분원 내에 제공된다. 제 2 연결 또는 배출 개구(10)는 XY-좌표계의 제 4 사분원 내에 놓여있다. 상기 배출 개구(10)는 또한 제 3 사분원 내에 놓여있다. 또한 다수의 개구(9, 10)가 제공될 수 있다. 예컨대 유입 개구(9)는 제 2 사분원에, 그리고 두 배출 개구(10)는 제 1 및 제 3 사분원 내에 제공될 수 있다. 또한 매체(L)용 유입 개구인 다수의 개구(9)가 제공될 수 있다. 상기 개구들(9)은 바람직하게 외부 하우징(4)의 상부 절반(6)에 배치된다.

여기서, 순환 송풍기(12)의 흡입측은 라인 시스템(11)을 통해 외부 하우징(4)의 하부 절반(7) 내에 제공된 연결 개구(10)와 연결된다. 상기 순환 송풍기(12)의 압력측은 라인 시스템(11)을 통해 외부 하우징(4)의 상부 절반(6) 내에 놓여있는 연결 개구(9)와 연결된다.

터빈 하우징(1)의 갭(5)을 통한 강제 흐름(S)을 생성하기 위한 순환 시스템은 바람직하게 터빈(2)의 작동이 차단된 후 작동된다. 작동하는 순환 하우징(12)에서 갭(5) 내에 존재하는 매체(L)는 연결 개구(10)를 통해 갭(5)으로부터 밖으로 가이드되어, 라인 시스템(11) 및 순환 송풍기(12)에 의해 연결 개구(9)를 통해 갭 내로 리턴된다. 따라서, 전체적으로 상기 갭(5)과 라인 시스템(11)에 의해 폐쇄된 순환계(14)가 생성된다.

상기 갭(5) 내에서 나타나는 매체(L)의 강제 흐름(S)에 의해 자유 대류 또는 자연 대류(QN)의 형성이 저지됨으로써, 외부 하우징(4)의 상부 절반(6)과 하부 절반(7) 간의 온도차(△T_AG)가 피해지거나 적어도 가능한한 작게 나타난다. 그러나, 강제 흐름(S)은 일차적으로 외부 하우징(4) 내의 온도 분포의 균일화를 야기한다.

이를 통해, 온도 변화가 저지됨으로써 특히 상부 절반(6)과 하부 절반(7) 간의 상대적인 열 팽창 및 열 응력이 제한된다.

따라서, 상기 강제 흐름(S)에 따라 야기된 외부 하우징(4) 내의 온도 분포의 균일화에 의해 터빈(2)의 냉각시, 예컨대 증기 터빈(2)의 작동 차단후 나타나는 하우징 비틀림이 확실히 피해지는 방식으로 자연 대류(QN)에 대해 반대 방향으로 작용된다.

Claims

내부 하우징(3) 및 갭(5)을 형성하면서 상기 내부 하우징(3)을 둘러싸는 외부 하우징(4)을 갖는 터빈 하우징에 있어서,

상기 갭(5) 내에 존재하는 매체(L)의 강제 흐름(S)이 제공되는 것을 특징으로 하는 터빈 하우징.
제 1항에 있어서,

상기 매체(L)가 폐쇄된 순환계(14) 내로 가이드되는 것을 특징으로 하는 터빈 하우징.
제 1항 또는 2항에 있어서,

상기 외부 하우징(4) 내에 제 1 개구(9) 및 송풍기(12)를 통해 상기 제 1 개구(9)에 연결된 제 2 개구(10)를 갖는 것을 특징으로 하는 터빈 하우징.
제 3항에 있어서,

상기 각각의 개구(9, 10)는 상기 외부 하우징(4)의 상부 절반(6) 및 하부 절반(7) 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 터빈 하우징.
제 4항에 있어서,

상기 외부 하우징(4)은 두 부분으로 되어 있으며, 상기 상부 절반(6)은 상부(6A)에 의해, 하부 절반(7)은 하부(7A)에 의해 형성되며, 상기 상부(6A) 및 하부(7A)는 접합부에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 터빈 하우징.
제 3항, 4항 또는 5항에 있어서,

상기 양 개구(9, 10)가 서로에 대해 직경으로 놓이는 것을 특징으로 하는 터빈 하우징.
상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 터빈 하우징이 증기 터빈의 하우징으로 형성되는 것을 특징으로 하는 터빈 하우징.
터빈(2)의 작동 차단시 터빈 하우징(1)의 하우징 비틀림을 피하기 위한 방법에 있어서,

상기 외부 하우징(4)과 상기 외부 하우징(4)을 둘러싸는 내부 하우징(3)간의 갭(5) 내에 터빈 하우징(1) 내의 온도 분포의 균일화를 위해 흐름(S)이 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.