KR20020028221A - 터빈 및 누출 유체를 방출시키기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동 블레이드(4)를 수용하기 위한 블레이드 영역(3)과 추력 밸런스 피스톤(5)을 포함하는 회전자(2)를 갖춘 터빈(1)을 개시한다. 이러한 추력 밸런스 피스톤(5)은 블레이드 영역(3)과 마주하는 고온 측면(6)과 상기 블레이드 영역(3)과 이격되어 대향하는 냉각 측면(7)을 구비한다. 밀봉 유체(5)를 위해 제공되고 냉각 측면(7)으로 배치되는 이송부(14)와, 상기 블레이드 영역(3)에 유동가능하게 연결되는 누출 유체 이송부(12) 모두는 한쪽 상에서 혼합 영역(13) 안으로 개방되며, 다른 쪽 상에서 혼합 영역(13)으로부터 배출 라인(16)이 분기한다. 본 발명은 또한 고온 누출 유체(17)를 배출시키기 위한 방법을 개시한다. 상기 누출 유체(17)는 회전자(2)의 추력 밸런스 피스톤(5)과 고정 터빈 부재(1) 사이에 위치한 방사상 간극(12)을 통해 터빈(1)에 유입되며, 저온 밀봉 유체(15)와 혼합되어 배출된다.

Description

터빈 및 누출 유체를 방출시키기 위한 방법{TURBINE AND METHOD FOR DISCHARGING LEAKAGE FLUID}

독일 실용 신안 제 6,809,708호(1968.3.12)에는 고압 및 고온 다중 셸 축 스로틀 제어식(multi shell axial throttle-controlled) 증기 터빈이 개시되어 있다. 이 경우의 증기 터빈은 내부 하우징 부재와 가이드-베인 캐리어(guide-vane carrier)를 구비하며, 이들은 구조적으로 결합되어 단일 내부 셸을 형성하는데, 이러한 단일 내부 셸은 축방향 평면에서 분할된다. 내부 셸은 포트(pot)의 형태로 구성되는 외부 하우징에 의해 둘러싸여 있다. 이 부재에 대해, 내부 셸은 회전자로서 알려진 터빈 축을 둘러싸고 있는데, 이러한 회전자는 회전자 블레이드를 구비한 블레이드 영역을 갖추고 있다. 회전자의 양 단부 각각에는 회전자와 외부 하우징 사이에 축 밀봉부가 제공되어 있다. 회전자의 일단부에서, 증기 터빈을 통해유동하는 증기가 블레이드 영역에 유입되어 회전 축선을 중심으로 회전자를 회전시킨다. 회전자의 대향하는 타단부에서는, 현재 적어도 부분적으로 팽창된 증기가 블레이드 영역 및 증기 터빈으로부터 유출된다. 이 과정에서, 증기가 회전자 상에 추력을 작용한다. 이러한 추력에 저항하기 위해 회전자의 단부에 보상 피스톤 배열체가 제공되며, 이 배열체 안으로 증기가 유동한다. 이러한 배열체는, 블레이드 영역과 마주하며 블레이드 영역으로부터 멀리 떨어진 단부면보다 큰 표면적을 가지는 단부면에 의해 구분된다. 유사한 포트 구성의 증기 터빈이 US 특허 제 3,754,833호에 개시되어 있다.

독일 특허 제 281,253호에는 선박 터빈에 가해지는 부하를 경감시키기 위한 장치가 개시되어 있다. 이러한 터빈은 일정-압력 및 과도-압력 세트(set)들을 갖춘 전진 터빈 및 후진 터빈을 구비하며, 이들 세트들은 단일 하우징 내에 수용되고 드럼 벽에 의해 완화된다. 터빈에 가해지는 부하를 경감시키기 위해, 전진 터빈과 축 베어링 사이에는 분리식 부하-경감 표면(divided load-relief surface)이 제공된다. 이것은 블레이드 추력과 선박의 프로펠러 추력을 전진 및 후진 모드에서 경감할 수 있게 한다.

독일 특허 제 197 01 020호에는 터빈 단계들을 거쳐 변화하는 반응의 정도를 가지는 매체-압력 부분 터빈(medium-pressure part turbine)과 고압력 부분 터빈을 가지는 증기 터빈이 개시되어 있다. 이경우, 이들 매체-압력 부분 터빈 및 고압력 부분 터빈은 단일 하우징 내에 수용될 수도 있으며, 이들 부분 터빈 각각의 경우 단일-유동 구성을 이룬다. 드럼 구성을 가지는 매체-압력 부분 터빈의 축방향 추력을 흡수하기 위해 추력 보상 피스톤이 제공된다. 이러한 압력 보상 피스톤은 축 베어링과 고압력 부분 터빈 사이에 배열된다. 축 베어링에 배치된 측에서 추력 보상 피스톤은 매체-압력 부분 터빈의 배출-증기 영역으로부터 증기에 의해 작용되고, 고압력 부분 터빈에 배치된 측에서 추력 보상 피스톤은 고압력 부분 터빈의 배출-증기 영역으로부터 증기에 의해 작용된다. 이들 부분 터빈은 2개의 분리된 하우징에 수용될 수도 있다. 단일-유동 구성의 경우, 추력 보상 피스톤도 마찬가지로 제공된다.

본 발명은 터빈 특히, 증기 터빈에 관한 것이며, 이러한 터빈은 회전자 블레이드용 블레이드 영역과 추력 보상 피스톤(thrust compensation piston)을 포함하는 회전자를 포함하며, 추력 보상 피스톤은 블레이드 영역과 마주하는 고온 측면과 상기 블레이드 영역과 멀리 떨어진 냉각 측면을 구비한다. 본 발명은 또한 추력 보상 피스톤 위로 유동하는 누출 유체를 배출시키기 위한 방법에 관한 것이다.

도 1은 고압력 증기 터빈의 종방향 단면도이다.

도 2는 추력 보상 피스톤의 영역에서의 고압력 증기 터빈의 종방향 단면도이다.

도 3은 추력 보상 피스톤의 영역에서의 3차원 작용을 도시한다.

본 발명의 목적은 터빈을 구동시키는 작동 매체의 높은 온도에 대해 사용되는 추력 보상 배열체를 구비하는 터빈을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 추력 보상 배열체 내의 누출 증기를 배출시키기 위한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 터빈과 관련한 목적은 회전자 블레이드용 블레이드 영역 및 추력 보상 피스톤을 구비하는 회전자와 혼합 영역을 포함하는 터빈에 의해 달성되고, 추력 보상 피스톤은 블레이드 영역과 마주하는 고온 측면과 블레이드 영역으로부터 멀리 떨어진 냉각 측면을 구비하며, 냉각 측면에 대해 배치되는 밀봉 유체용 이송부(feed)와 블레이드 영역에 유동가능하게 연결되는 누출 유체 이송부가 혼합 영역 안으로 개방되며 혼합 영역으로부터 배출 라인이 분기된다.

본 명세서에서 추력 보상 피스톤이라는 용어는 터빈의 회전자에 기계적으로 연결되는, 예컨대, 특히 단조(forging) 또는 주조(casting)에 의해 회전자와 일체로 형성되거나, 회전자에 용접 또는 스크류 결합되거나 또는 여러 다른 기계적 방법으로 회전자에 고정적으로 연결되는 추력 보상 배열체를 의미하는 것으로서 이해된다.

2 부분 또는 2 영역 사이에서의 유동 연결은 하나의 영역(부분)에서 다른 영역(부분)으로 유체가 유동할 수 있다는 것을 의미한다. 유동 연결은 예컨대 유체 라인, 개구부 등에 의해 생성된다.

이와 관련하여, 본 발명은 결점에 대한 피스톤으로서 아래에 언급되는 추력 보상 피스톤은 작동 매체와 접촉하게 된다. 이러한 작동 매체는 피스톤과 고정 터빈 부분, 예컨대 내부 하우징 사이를 통해 유동한다. 이것은 작동 매체의 누출 유동을 발생시킨다. 이러한 누출 유동은 밀봉에 의해 감소될 수 있지만, 비접촉 밀봉에 의해 완전한 밀봉이 달성되기는 불가능하다. 누출 유동은 증기 터빈의 경우에 600℃까지, 가스 터빈의 경우에서 보다 높은 고온일 수 있다. 따라서, 고온(hot) 누출 증기 유동은 이러한 고온을 위해 구성되지 않은 터빈 부분들과 충돌할 수 있다. 이를 피하기 위해, 고온 작동 매체의 유동 영역 외부에 놓이는 터빈 부재들 조차 이러한 고온에 적합한 물질로 이루어지는 것이 필요하며, 이들 물질들은 대개 비용이 고가이며 기계가공이 비교적 어렵다.

대안으로서, 냉각 측면으로서 아래에 기재되는 바와 같이, 고온 작동 매체로부터 멀리 떨어진 피스톤의 단부의 유동 영역에 다른 밀봉 영역이 배열되게 하는 것도 가능하다. 추가로 또는 대안으로서, 누출 유동을 빨아들이기 위한 흡입 장치가 제공될 수 있다. 이 경우에, 피스톤 상으로의 누출 유동은 추가의 밀봉 영역의 유동 저항과 흡입 장치 내에 포함된 흡입관의 유동 저항에 반비례하게 된다. 고온누출 유체가 외부의 터빈 부품들과 충돌하는 것을 방지하는 완전한 밀봉이 가능하지만, 작동 매체의 유동 영역이 이러한 방법으로 달성될 수 없다.

본 발명에 따르면, 고온 누출 유체가 저온 밀봉 유체(cooler sealing fluid)와 혼합되고 2가지 유체가 혼합된 후 혼합 유체가 존재한다. 이후, 혼합 유체는 배출구를 통해 혼합 영역으로부터 유출될 수 있다. 이것은 누출 유체보다 온도가 낮은 혼합 유체가 적절한 터빈 영역 안으로 제어 방식으로 배출되는 것을 보장한다. 따라서, 피스톤은 누출 유체에 대해 완전히 밀봉된다. 이러한 방법으로, 피스톤 외부, 예컨대 회전자를 따르는 누출 유동이 확실하게 방지된다. 혼합 유체의 온도는 고온 작동 매체의 유동 영역 외부에서 터빈 부품들의 허용가능한 이용 온도 아래인 것이 바람직하다.

혼합 영역은 피스톤의 냉각 측면 상에 배열되는 것이 바람직하다. 이 결과, 피스톤의 고온 측면과 누출 유체 이송부의 혼합 영역 사이에 예컨대 비접촉 밀봉에 의한 밀봉 영역이 제공된다. 반경방향 외측으로 향하는 밀봉 유체의 유동을 발생시키기 위해 전달 장치가 피스톤의 냉각 측면 상에 제공되는 것이 바람직하며, 이 경우 전달 장치는 밀봉 유체용 이송부에 유동가능하게 연결되어 있다. 보다 구체적으로, 전달 장치는 방사형 홈(radial grooves), 방사형 보어(radial bores), 안내판(guide plates) 또는 유사한 작용의 형상 구조체와 같은, 복수의 유동-안내 부재(flow-guiding elements)를 구비한다.

특히 전달 장치는 단지 회전자의 회전의 결과로서 혼합 영역을 향해 밀봉 유체를 전달한다. 이 결과, 밀봉 유체는 추가의 다른 장치를 필요로 하지 않고 혼합영역 안으로 이동한다. 따라서, 전달 장치에 의해 발생되는 밀봉 유체의 유동은 누출 유체의 유동과 반대 방향인 것이 바람직하다.

이러한 전달 장치는 추력 보상 피스톤과 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 특히, 유동-안내 부재들은 피스톤의 냉각 측면에 용접되거나, 유사한 방법으로 냉각 측면에 고정된다.

터빈은 증기 터빈, 특히 매체-압력 부분 터빈인 것이 바람직하다. 또한 터빈은 단일-유동 구성을 가지는 것이 바람직하다.

터빈은 내부 하우징이 배열되어 있는 외부 하우징을 구비하는 것이 바람직하다. 내부 하우징은 회전자를 둘러싸며, 누출 유체 이송부는 추력 보상 피스톤과 내부 하우징 사이에서 방사형 간극으로 형성되어 있다. 이러한 유형의 간극에는 비접촉 밀봉부가 배열되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따라, 고온 누출 유체를 배출시키기 위한 방법에 의해 방법과 관련한 목적이 달성되며, 터빈 내의 누출 유체가 회전자의 추력 보상 피스톤과 고정 터빈 부분 사이의 간극을 통해 유동하고, 고온 누출 유체가 저온 밀봉 유체와 혼합되어 배출된다. 방법의 장점 및 작동에 대해, 터빈의 구조적 구성과 관련해 상술한 설명을 참조한다.

누출 유체를 밀봉 유체와 혼합함으로써 혼합 유체가 형성되며, 이러한 혼합 유체는 누출 유체보다 낮은 온도이다. 혼합이 발생하는 위치를 적절하게 선택함으로써, 피스톤의 완전한 밀봉을 달성할 수 있다. 이 경우에, 누출 유체는 추력 보상 피스톤, 특히 냉각 측면에서 밀봉 유체와 혼합되는 것이 바람직하다.

밀봉 유체의 유동은 회전자의 회전에 의해 발생되는 것이 바람직하다. 이것은 특히 추력 보상 피스톤 상에 배열된 전달 장치에 의해 달성된다. 밀봉 유체의 유동은 반경방향 외측인 것이 바람직하다. 이러한 밀봉 유체는 전달 장치에 의해 반경방향 외측으로 전달된다.

누출 유체가 고온 증기라면 사용되는 밀봉 유체는 증기인 것이 바람직하고, 이 경우 밀봉 유체는 보다 차가운 증기이다. 이것은 특히 증기 터빈의 경우이다. 가스 터빈의 경우에는 예컨대 냉각 공기와 같은 가스가 밀봉 유체로서 사용되는 것이 바람직하다.

아래에, 도면에 도시된 예시적인 실시예를 참조하여 실례를 통해 터빈과 누출 유체를 배출시키기 위한 방법을 설명한다.

도 1 내지 도 3에서, 각각의 구성 요소에 대해 동일한 도면 부호를 사용한다.

도 1은 본 발명에 따른 포트 구조체의 고압력 증기 터빈의 종방향 단면도이다. 이러한 터빈(1)은 회전 축선(19)을 따라 연장되는 회전자(2)를 구비한다. 이러한 회전자(2)는 내부 하우징(11)에 의해 둘러싸여 있고, 내부 하우징(11)은 차례로 외부 하우징(10)에 의해 둘러싸여 있다. 외부 하우징(10)의 양쪽에는 각각의 축 베어링(22)에 의해 회전자(2)가 장착되어 있다. 이러한 회전자(2)는 외부 하우징(10)의 양 단부 영역(25)에서 외부 하우징(10)으로부터 돌출되어 있으며, 각각 하나의 축 밀봉부(24)가 제공된다. 고온 작동 매체(26), 즉 본 발명에서는 고온 증기를 위한 증기 배출 영역(20) 및 유입 영역(21) 사이에서 회전자(2)는 블레이드 영역(bladed area; 3)을 가진다. 이러한 블레이드 영역(3)에서, 회전자(2)는 서로로부터 축방향으로 이격되어 있는 블레이드(4)를 갖추고 있다. 가이드 베인(guide vane)(23)의 열(row)은 축방향으로 인접하는 회전자 블레이드(4) 사이에서 내부 하우징(11) 상에 배열되어 있다.

회전자(2)는 추력 보상 피스톤(5)을 구비하고, 유입 영역(21)은 블레이드 영역(3)과 추력 보상 영역 피스톤(5) 사이에서 축방향으로 배열된다. 아래에 단축을 위한 피스톤이라고 하는 추력 보상 피스톤(5)은 유입 영역(21)과 대향하는 고온 측면(6), 및 유입 영역(21)으로부터 멀리 떨어진 냉각 측면(7)를 가진다.

터빈(1)이 작동하면, 작동 매체(26)가 유입 영역(21) 안으로 유동하고, 블레이드 영역(3)을 통과해서 증기 배출 영역(20)을 통해 터빈(1)에서 유출된다. 작동 매체(26)는 블레이드 영역(3)을 통과하면서 회전자 블레이드(4)와 이에 따른 회전자(2)에 힘을 적용시킨다. 이 결과, 회전 축선(19)의 방향으로 추력가 발생한다. 이러한 추력는 추력 보상 피스톤(5)에 의해 반작용된다. 이를 위해, 피스톤(5)은 냉각 측면(7) 및 고온 측면(6) 상에서 동일 또는 상이한 표면을 가지며(보다 상세히 도시 안됨), 이러한 표면은 동일 압력 또는 상이한 압력에 의해 작용을 받는다. 냉각 측면(7)와 고온 측면(6) 상에서 생성된 압력과 관련 표면적 사이의 차이는 추력에 반작용하는 축방향력을 발생시킨다. 터빈(1)이 작동하는 동안, 특히, 냉각 측면(7)와 고온 측면(6) 사이에서 압력차가 우세할 때, 작동 유체(26)의 일부분은 누출 유체(17)로서 피스톤(50) 상으로 유동한다(도 2 참조). 누출 유체(17)의 양은 비접촉 밀봉(contact-free seal)(도시 안됨)에 의해 낮은 레벨에서 유지된다.

도 2는 터빈(1)의 종단면을 도시하고, 보다 상세하게는 단일-유동-매체-압력 증기 터빈을 도시한다. 회전 축선(19)을 따라 연장되는 회전자(2)는 추력 보상 피스톤(5)을 구비한다. 추력 보상 피스톤(5)의 작동 방법을 설명하기 위해, 도 1과 관련하여 주어진 설명에 대해 도면 부호가 제공된다. 회전자(2)와 이와 아울러 피스톤(5)이 내부 하우징(11)에 의해 둘러싸여 있다. 피스톤(5)은 블레이드 영역(3)(도시 안함)과 마주하는 고온 측면(6)과, 블레이드 영역으로부터 멀리 떨어진 냉각 측면(7)을 구비한다. 누출 유체 이송부(12)는 고온 측면(6)에 제공된, 내부 하우징(11)과 피스톤(5) 사이에 형성되어 있다. 이러한 누출 유체 이송부(12)는 적어도 일정 영역에서 피스톤(5)과 내부 하우징(11) 사이에 방사상 간극(radial gap)을 형성한다. 냉각 측면(7) 상에는 밀봉 유체(15)용 이송부(14)가 제공된다. 냉각 측면(7)과 마주하는 피스톤(5)의 단부에는 챔버 등과 같은 혼합 영역(13)이 제공된다. 누출 유체 이송부(12) 및 밀봉 유체(15)용 이송부(14) 모두는 혼합 영역(13) 안으로 개방되어 있다. 혼합 영역(13)으로부터 내부 하우징(11) 안으로 배출구(16)가 유도되어 있다. 냉각 측면(7) 상에는 복수의 유동-안내 부재(flow-guiding elements)(9)(도 3 참조)를 구비하는 전달 장치(8)가 피스톤(5)에 배열되어 있다.

회전자(2)가 회전하면, 전달 장치(8)는 방사형 팬(fan)으로서 작용한다. 이 결과, 혼합 영역(13) 안으로의 밀봉 유체(15)의 유동이 추가의 장치를 필요로 하지 않고 달성된다. 이 결과, 고온 누출 유체(17), 즉 고온 증기가 혼합 영역에서 저온 밀봉 유체, 즉 저온 증기와 혼합된다. 누출 유체(17) 및 밀봉 유체(15)를 포함하는 혼합 유체(18)는 배출 라인(16)을 통해 혼합 영역(13) 외부로 유동하고, 따라서 누출 유체(17) 보다 낮은 온도를 가진다. 이것은 2가지 효과를 가진다. 첫째로, 밀봉 유체(15)가 누출 유체(17)와 반대 방향으로 유동하고 있으므로, 고온 누출 유체(17)가 피스톤(5)을 통해 누출되지 않는다. 둘째로, 누출 유체(17) 보다 낮은 온도인 혼합 유체(18)가 내부 하우징(11)으로 유입된다. 이 결과, 혼합 유체(18)와 접촉하게 되는 터빈 부품들은 작동 매체(26)와 접촉하게 되는 터빈 부품들이 받게 되는 정도의 열 부하(thermal loads)를 받지 않는다. 따라서, 열 부하를 견디는 성능이 낮은 물질, 즉 비교적 저비용의 물질이 다수의 경우에 용이하게 프로세스용으로 이용되고, 혼합 유체(18)와 접촉하게 되는 터빈 부품들에 대한 위험없이 이용될 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 터빈(1)의 피스톤(5) 영역의 사시도이다. 전달 장치(8)의 유동-안내 부재(9)를 형성하는 방사상 오목부가 냉각 측면(7) 상에 형성되어 있다.

Claims (10)

1. 회전자 블레이드(4)용 블레이드 영역(3)과, 그리고 상기 블레이드 영역(3)과 마주하는 고온 측면(6) 및 상기 블레이드 영역(3)으로부터 멀리 떨어진 냉각 측면(7)을 구비하는 추력 보상 피스톤(5)을 갖춘 회전자(2)를 포함하는 터빈으로서(1),

   상기 냉각 측면(7)에 배치되는 밀봉 유체(15)용 이송부(14)와, 그리고 상기 블레이드 영역(3)과 유동가능하게 연결되는 누출 유체 이송부(12)가 안으로 개방되는 혼합 영역(13)을 더 포함하며, 상기 혼합 영역(13)으로부터 배출 라인(16)이 분기되어 있는 터빈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 측면(7) 상에는 반경방향 외측으로 인도되는 밀봉 유체(15)의 유동을 발생시키기 위한 전달 장치(8)가 제공되며, 상기 전달 장치(8)는 상기 밀봉 유체(15)용 이송부(14)에 유동가능하게 연결되어 있는 터빈.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전달 장치(8)가 방사형 홈, 방사형 보어 또는 안내판 같은 복수의 유동-안내 부재(9)를 구비하는 터빈
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전달 장치(8)가 상기 추력 보상 피스톤(5)과 일체로 형성되어 있는 터빈.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터빈이 증기 터빈, 특히 매체-압력 부분 터빈으로서 구성되는 터빈.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터빈은 내부 하우징(11)이 안에 배열되는 외부 하우징(10)을 구비하고, 상기 내부 하우징(11)이 상기 회전자(2)를 둘러싸며, 상기 누출 유체 이송부(12)가 상기 추력 보상 피스톤(5)과 상기 내부 하우징(11) 사이에서 방사형 간극으로서 형성되어 있는 터빈.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 단일-유동 구성으로 이루어지는 터빈.
8. 고온 누출 유체(17)를 배출시키기 위한 방법으로서, 상기 누출 유체(17)는 터빈(1) 내에서 회전자(2)의 추력 보상 피스톤(5)과 고정 터빈 부재(11) 사이의 방사형 간극(12)을 통해 유동하고 저온 밀봉 유체(15)와 혼합되어 배출되는 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 누출 유체(17)가 상기 추력 보상 피스톤에서 상기 밀봉 유체(15)와 혼합되는 방법.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 밀봉 유체(15)는 상기 회전자(2)의 회전에 의해 그리고 상기 추력 보상 피스톤(5) 상에 배열된 전달 장치(8)에 의해 반경방향 외측으로 전달되는 방법.