KR20030041083A

KR20030041083A - 증기 터빈 및 로터 샤프트 휨 제거 방법

Info

Publication number: KR20030041083A
Application number: KR1020020070989A
Authority: KR
Inventors: 버네트마크에드워드; 올페크리스토퍼에드워드; 배일리프레드릭조지; 턴퀴스트노먼아놀드; 브리슨브루스윌리암; 카루소데이비드알랜
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2003-05-23
Also published as: US20030095865A1; RU2002130705A; JP2003193802A; CN1420259A; US6669443B2; KR100924860B1; JP4315319B2; CN100339563C

Abstract

증기 터빈에 있어서, 다이아프램 웨브와, 로터상의 축방향으로 인접한 휠들 사이의 반경방향 외측 돌출 플랫폼 사이에 조합된 브러시 및 래비린스 시일이 제공된다. 브러시 시일은 래비린스 시일 치형부의 상류에 위치된다. 플랫폼은 이 플랫폼의 반경방향 외측 단부에 인접한 대향 축방향으로 돌출되는 적어도 하나, 바람직하게 한쌍의 플랜지 또는 핀을 구비한다. 브러시 시일의 강모와, 로터 역학에 영향을 주는 로터 표면을 따라 플랫폼상의 밀봉 표면 사이의 마찰 접촉으로 야기되는 균일하지 못한 열 분산은 제거 또는 최소화된다.

Description

증기 터빈 및 로터 샤프트 휨 제거 방법{ROTOR PLATFORM MODIFICATION AND METHODS USING BRUSH SEALS IN DIAPHRAGM PACKING AREA OF STEAM TURBINES TO ELIMINATE ROTOR BOWING}

본 발명은, 브러시 시일과 회전 구성요소 사이에서의 마찰 접촉에 의해 발생된 열로 인한 회전 구성요소 둘레에서의 균일하지 못한 열의 분산으로 야기되는 열 휨을 제거하도록 배치 및 위치된, 고정 구성요소와 회전 구성요소 사이의 브러시 시일을 구비하는 증기 터빈에 관한 것이며, 특히 열 휨 뿐만 아니라 이러한 터빈에서의 브러시 시일의 파손의 경우의 축방향 스러스트 부하를 제거하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 출원인에게 양도된 미국 특허 제 6,168,377 호에는 고정 구성요소와 로터 샤프트의 회전 구성요소 사이에 위치된 브러시 시일을 구비하는 증기 터빈이 개시되어 있다. 특히, 축방향 플랜지는 버킷의 도브테일상에 제공되며, 상기 버킷 도브테일은 로터 휠의 도브테일에 상보적인 형태로 고정된다. 회전 구성요소쪽의 고정 구성요소로부터, 즉 버킷 도브테일상의 플랜지로부터 돌출되는 금속 강모의 호형 어레이로 구성되는 브러시 시일은 플랜지 표면과 결합되어 이에 지지되는 강모 팁을 구비한다. 상기 미국 특허 제 6,168,377 호에 개시된 바와 같이, 브러시 시일의 강모와 대향 밀봉 표면, 즉 플랜지 사이의 접촉으로 인해 열이 발생된다.

미국 특허 제 6,168,377 호에 개시된 바와 같이, 브러시 시일과 밀봉 표면 사이의 접촉은 로터의 외경으로부터 발생된 열을 분리시키기 위해서 로터 샤프트의 반경방향 외측에 위치되어야 한다. 한편, 마찰에 의해 발생된 열은 샤프트의 원주 둘레에 균일하지 못한 온도 분포를 야기시키며, 그 결과 로터의 균일하지 못한 축방향 팽창과, 그에 따른 로터의 휨을 야기시킨다. 이러한 문제점을 제거하기 위해서 다양한 방법 및 장치가 개시되어 있는데, 그중 하나의 해결책은 버킷 도브테일 플랜지상의 마찰 발생 표면을 샤프트 외경의 반경방향 외측에 위치시키는 것이다. 이러한 방법에서, 발생된 열은 로터로부터 분리되어 로터의 모든 휨 경향을 제거한다.

이들 특허의 구성 및 다른 구성은 다이아프램 웨브의 내측상의 브러시 시일의 예비 시일로서 종래의 래비린스형 패킹 시일을 이용한다. 이들 래비린스 시일은 샤프트의 외경에 바로 인접해 위치된다. 그러나, 브러시 시일은 마모 및 파손에 민감하다. 브러시 시일, 상기 특허 구성의 브러시 시일은 샤프트 파손부의 외측으로 이격되어야 하며, 밀봉 직경이 버킷 도브테일 플랫폼으로부터 로터 샤프트까지 변경된다. 다음에, 이것은 샤프트상의 압력 분포와, 축방향에서의 로터상의 스러스트를 반대로 변경한다. 따라서, 로터 역학 구속은 브러시 시일이 사용될 수 있고 그리고 래비린스형 밀봉 치형부가 이러한 시일 대신에 이용되는 경우에 스테이지의 개수를 제한하고, 증가된 2차 손실로 인해 섹션 효율을 감소시킨다. 따라서, 브러시 시일과 상보적인 밀봉 표면 사이의 접촉으로 야기되는 균일하지 못한열 분산으로 인한 증기 터빈 로터의 열 휨의 문제가 제거될 뿐만 아니라 로터 베어링상의 축방향 스러스트 부하가 브러시 시일 파손의 경우에 제거 또는 최소화될 수 있는 증긴 터빈용 밀봉 시스템을 제공할 필요가 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 회전 구성요소의 샤프트의 외경 또는 표면의 반경방향 외측에 위치되어 균일하지 못한 열 분산으로 인한 로터의 열 휨을 제거하는 브러시 시일이 제공된다. 브러시 시일은 실질적으로 동일한 반경방향 위치에서 래비린스 시일과 조합되어 적용될 수 있어서 브러시 시일의 파손의 경우에 스러스트 부하를 제거한다. 특히, 플랫폼은 터빈 버킷을 지지하는 인접한 축방향으로 이격된 휠 사이의 로터 둘레에 형성되고, 플랫폼은 로터의 표면으로부터 반경방향 외측으로 돌출된다. 바람직한 실시예에 있어서, 플랫폼은 축방향으로 감소된 네크부와, 플랫폼의 반경방향 외측 말단의 축방향으로 연장되는 적어도 하나의, 바람직하게 한쌍의 플랜지를 구비하는 환형 대좌(pedestal)의 형태이다. 하나 이상의 플랜지는 실제로 대좌의 네크부로부터 축방향으로 캔틸레버 지지되고, 플랫폼 표면상의 브러시 시일의 마찰 접촉에 의해 발생된 열이 로터 역학에 영향을 주기전에 분산시킬 수 있게 하는 하나 이상의 핀(fin)으로서 역할을 한다. 따라서, 플랫폼 구성은 충분한 영역을 제공할 수 있고, 플랜지 또는 핀이 열을 국부적으로 분산시킬 수 있어서, 로터 진동에 의한 영향을 완화시키며, 그에 따라 모든 증기 터빈 섹션 스테이지에 유사한 브러시를 적용할 수 있게 한다. 캔틸레버 지지된 플랜지또는 핀은 플랜지 또는 핀과 로터 표면 사이의 반경방향으로 빈곳, 즉 휠 공간내에 제공되며, 이에 의해 플랫폼의 밀봉 표면과의 브러시 시일 접촉에 의해 발생된 마찰 열은 우선 축방향으로 그리고 로터의 열 역학에 어떠한 영향을 주기전에 반경방향으로 분산된다. 이러한 열 분산은 마찰에 의해 발생된 열에 대한 로터의 열 반응을 최소화 또는 제거하기에 충분하다.

인접한 휠 사이의 다이아프램은 휠 공간내의 반경방향 내측으로 연장되는 웨브를 구비하며, 브러시 시일을 지지할 뿐만 아니라 하나, 바람직하게 다수의 래비린스 시일 치형부를 지지한다. 래비린스 시일 치형부는 플랫폼의 표면으로부터 이격된 테이퍼진 에지에서 제거되고, 바람직하게 브러시 시일의 예비 시일로서 작용한다. 따라서, 래비린스 치형부는 브러시 시일의 하류 측면상에 위치되는 것일 바람직하다. 브러시 시일이 파손되면 래비린스 치형부는 성능 악화를 제한한다. 그러나, 브러시 시일은 래비린스 시일 치형부의 하류 또는 래비린스 시일 치형부의 중간에 위치될 수도 있다. 또한, 다이아프램과 일체의 캐비티에 노출된 대좌의 상류 및 하류 측면상의 영역, 즉 휠 공간은 실질적으로 동일하지 않기 때문에, 래비린스 시일을 통과한 누설 유동으로부터의 순수 축방향 스러스트가 발생되지 않는다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 로터 샤프트 표면을 구비하는 로터 샤프트를 포함하는 회전 구성요소와, 상기 회전 구성요소 둘레의 고정 구성요소와, 상기 회전 구성요소와 밀봉 결합시키기 위해 상기 고정 구성요소에 의해 지지된 브러시 시일과, 상기 회전 구성요소상에서 서로 축방향으로 이격된 적어도 한쌍의 휠로서, 상기 회전 구성요소는 상기 각 휠상에서 서로 원주방향으로 이격된 다수의 버킷을 포함하는, 상기 휠과, 상기 브러시 시일과 상기 회전 구성요소 사이에서의 마찰 접촉에 의해 발생된 열로 인해 로터 샤프트 표면으로의 균일하지 못한 원주방향 열전달을 방지하여 회전 구성요소의 휨을 제거 또는 최소화하기 위한 수단을 포함하며; 상기 방지 수단은 상기 휠 사이의 축방향 위치에서 상기 로터 샤프트 표면의 반경방향 외측으로 돌출된 환형 플랫폼을 포함하며, 상기 브러시 시일은 상기 휠상의 상기 버킷 사이에 배치되며, 상기 로터 샤프트 표면의 반경방향 외측으로 상기 플랫폼상의 밀봉 표면을 결합하는 증기 터빈이 제공된다.

본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예에 있어서, 로터 샤프트 표면을 구비하는 로터 샤프트를 포함하는 회전 구성요소와, 상기 회전 구성요소 둘레에서 증기 누설 유동 경로를 따라 회전 구성요소와 밀봉 결합하도록 브러시 시일을 지지하는 고정 구성요소를 구비하는 증기 터빈에서, 상기 브러시 시일과 회전 구성요소 사이의 마찰 접촉에 의해 발생된 열로 인해 상기 회전 구성요소 둘레에서의 원주방향의 균일하지 못한 열의 분산으로 야기되는 로터 샤프트의 휨을 실질적으로 제거하는 방법에 있어서, 마찰 접촉 영역을 로터 샤프트 표면의 반경방향 외측으로 이격된 밀봉 표면을 따라 회전 구성요소와 브러시 시일 사이에 그리고 상기 밀봉 표면과 로터 샤프트 표면 사이의 휠 공간의 일부분을 상기 로터 샤프트 표면과 일치되게 위치시킴으로써, 상기 회전 구성요소와 브러시 시일 사이의 마찰 접촉에 의해 발생된 열로 인한 회전 구성요소로의 원주방향 균일하지 못한 열전달을 방지하는 단계를 포함하는 로터 샤프트 휨 제거 방법이 제공된다.

도 1은 터빈 샤프트를 따라서 배치된 터빈 버킷 및 다이아프램과, 조합된 브러시/래비린스 시일의 위치를 도시하는 증기 터빈의 일부분의 개략적인 단면도,

도 2는 인접한 버킷 사이의 휠 공간에서 반경방향으로 돌출되는 플랫폼을 결합하는 조합된 브러시 및 래비린스를 도시하는 확대된 부분 단면도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 증기 터빈11 : 회전 구성요소

12 : 샤프트14 : 휠

16 : 버킷17 : 고정 구성요소

18 : 노즐 부분22 : 다이아프램 내부 웨브

24 : 외부 표면26 : 브러시 시일

28 : 금속 강모34 : 환형 홈

38 : 팁40 : 플랫폼

42 : 대좌44 : 네크부

46 : 핀(fin)48 : 휠 공간

60 : 래비린스 시일 치형부

이제 도 1을 참조하면, 버킷(16)을 장착하기 위해서 축방향으로 이격된 다수의 휠(14)을 장착하는 회전 구성요소(11), 예를 들면 로터 또는 샤프트(12)를 구비하는 증기 터빈(10)이 도시되어 있다. 일련의 노즐 부분(18)은 버킷 사이에 개재되며, 화살표(20)로 표시된 증기 유동 경로를 버킷(16)과 함께 형성한다. 격벽은 터빈의 스테이지의 휠(14) 사이로 연장되는 다이아프램 내부 웨브(22)에 부착되며, 웨브 및 격벽은 전체적으로 고정 구성요소(17)를 형성한다. 로터(12)는 연속적인 길다란 단일편 금속인 것은 자명하다.

상술한 바와 같이, 브러시 시일은 로터를 따라 다양한 위치에, 즉 시일을 형성하기 위해 증기 터빈내의 고정 구성요소와 회전 구성요소 사이에 이용되어 왔다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 브러시 시일은 로터(12)의 외부 표면(24)의 반경방향 외측의 위치에서 고정 구성요소(17)와 회전 구성요소(11) 사이에 각기 제공되어, 브러시 시일 및 로터의 강모의 팁 사이의 마찰 접촉으로 인한 로터 주위에서의 균일하지 못한 열 변형을 방지한다. 브러시 시일은 증기 유동 경로(20)로부터 도 2에 화살표(19)로 표시된 바와 같이 누설 유동 경로를 따라 밀봉한다. 브러시 시일은 종래의 구조일 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 브러시 시일(26)은 로터를 중심으로 원주방향으로 연장된 한쌍의 플레이트(30, 32) 사이에 배치된 다수의 금속 강모(28)를 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서 브러시 시일(26)은 그 전방 부분, 즉 누설 증기 유동 경로(19)의방향과 관련하여 상류 부분을 따라 웨브(22)에 형성된 환형 홈(34)에 위치 및 지지된다. 브러시 시일의 강모(28)는 그 회전축을 중심으로 로터의 반경에 대해서 경각(cant angle)으로 연장되며, 함께 시일을 형성하는 회전 구성요소에 결합되는 팁(38)을 구비한다.

강모(28)의 팁(38)과 회전 구성요소의 밀봉 표면 사이에서의 마찰 접촉으로 인한 로터 주위에서의 균일하지 못한 열 변형을 방지하기 위해서, 로터(12)는 로터 표면(24)의 반경방향 외측으로 돌출된 플랫폼(40)을 다양한 로터 스테이지의 인접한 휠(14) 사이에 장착한다. 특히, 플랫폼(40)은 네크부(44)와, 적어도 하나, 바람직하게는 한쌍의 축방향으로 연장되는 환형 플랜지 또는 핀(46)(fin)을 구비하는 반경방향으로 연장되는 환형 대좌(42)(pedestal)를 포함할 수도 있다. 특히 도 2에 도시된 바와 같이, 플랜지 또는 핀(46)은 감소된 네크부(44)로부터 축방향으로 캔틸레버 지지되어 있고, 그에 따라 휠(14) 사이의 휠 공간(48)의 일부분과 반경방향으로 일치된다. 플랫폼(40)의 외부 표면 및 특히 강모(28)의 팁과 반경방향으로 일치되는 상류 외부 환형 표면(50)은 강모 팁(38)과의 접촉 밀봉 표면으로서 작용한다. 따라서, 강모(28)의 팁(38)과 마찰 접촉에 의해 열이 발생되는 회전 구성요소 사이의 접촉 표면은 로터 표면(24)으로부터 축방향 및 반경방향 모두에서 이격되어 위치된다. 따라서, 이러한 마찰 접촉에 의해 발생된 열은 우선 플랫폼의 중앙 부분을 향해 축방향으로 분산되고, 다음에 플랫폼(40)의 네크부(44)를 따라 반경방향 내측으로 분산된다. 즉, 플랫폼은 열을 국부적으로 분산시키도록 구성되고 분산시키기에 충분한 영역을 구비하며, 그에 따라 플랫폼(40)의 밀봉 표면과의 브러시 시일 접촉으로부터 야기되는 열적 영향에 대한 로터의 모든 열적 반응을 최소화 또는 제거한다.

또한, 하나 이상의 래비린스 시일 치형부(60)는 플랫폼(40) 주위에서 하나 이상의 환형 어레이로 웨브(22)에 의해 지지되어 있다. 래비린스 치형부(60)는 그 반경방향 내부 에지를 따라 테이퍼져 있고, 플랫폼(40)의 표면으로부터 최소 거리로 이격되어 있어서 래비린스 형태 밀봉을 실행하는데, 즉 브러시 시일을 지나 빠져나가는 어떠한 다른 증기 누설 유동을 위한 꾸불꾸불한 경로를 제공한다. 바람직하게, 래비린스 치형부는 브러시 시일을 통과하는 모든 누설 유동의 하류에 위치되며, 브러시 시일을 위한 예비 시일로서 작용한다. 브러시 시일 및 래비린스 시일이 실질적으로 동일한 직경상에 위치되기 때문에, 브러시 시일의 파손으로부터 야기되는 축방향 로터 스러스트는 실질적으로 제거된다.

본 발명은 가장 실제적인 바람직한 실시예와 관련하여 기술하였지만, 본 발명은 개시된 실시예로 제한되지 않으며, 반대로 첨부된 특허청구범위의 정신 및 영역내에 포함된 다양한 변형 및 동등한 배열을 포함하는 것으로 의도된다.

본 발명에 따르면, 회전 구성요소의 샤프트의 외경 또는 표면의 반경방향 외측에 위치되어 균일하지 못한 열 분산으로 인한 로터의 열 휨을 제거하는 브러시 시일이 제공되며, 브러시 시일은 실질적으로 동일한 반경방향 위치에서 래비린스 시일과 조합되어 적용될 수 있어서 브러시 시일의 파손의 경우에 스러스트 부하를제거하는 효과가 있다.

Claims

증기 터빈에 있어서,

로터 샤프트 표면을 구비하는 로터 샤프트(12)를 포함하는 회전 구성요소(11)와,

상기 회전 구성요소 둘레의 고정 구성요소(17)와,

상기 회전 구성요소와 밀봉 결합시키기 위해 상기 고정 구성요소에 의해 지지된 브러시 시일(26)과,

상기 회전 구성요소상에서 서로 축방향으로 이격된 적어도 한쌍의 휠(14)로서, 상기 회전 구성요소는 상기 각 휠상에서 서로 원주방향으로 이격된 다수의 버킷(16)을 포함하는, 상기 휠(14)과,

상기 브러시 시일과 상기 회전 구성요소 사이에서의 마찰 접촉에 의해 발생된 열로 인해 로터 샤프트 표면으로의 균일하지 못한 원주방향 열전달을 방지하여 회전 구성요소의 휨을 제거 또는 최소화하기 위한 수단(40, 46)을 포함하며;

상기 방지 수단은 상기 휠 사이의 축방향 위치에서 상기 로터 샤프트 표면의 반경방향 외측으로 돌출된 환형 플랫폼(40)을 포함하며,

상기 브러시 시일은 상기 휠상의 상기 버킷 사이에 배치되며, 상기 로터 샤프트 표면의 반경방향 외측으로 상기 플랫폼상의 밀봉 표면을 결합하는

증기 터빈.
제 1 항에 있어서,

상기 고정 구성요소와 상기 플랫폼 사이로 연장되고, 상기 브러시 시일로부터 축방향으로 이격된 래비린스 시일 치형부(60)를 포함하는

증기 터빈.
제 2 항에 있어서,

상기 회전 구성요소 및 상기 고정 구성요소는 그 사이에 증기 누설 유동 경로(19)를 규정하며, 상기 브러시 시일은 상기 누설 유동 경로내의 상기 래비린스 치형부의 상류에 위치되는

증기 터빈.
제 1 항에 있어서,

상기 플랫폼은 네크부(44)를 구비하는 환형 연장 대좌(42)와, 상기 휠중 하나를 향해 상기 네크부로부터 축방향으로 연장되는 적어도 하나의 플랜지(46)를 포함하며, 상기 밀봉 표면은 상기 플랫폼 플랜지상에 위치되는

증기 터빈.
제 4 항에 있어서,

상기 고정 구성요소와 상기 플랫폼 사이로 연장되고 상기 브러시 시일로부터 축방향으로 이격된 래비린스 시일 치형부(60)를 포함하며, 상기 플랫폼 및 상기 고정 구성요소는 그 사이에 증기 누출 유동 경로(19)를 규정하며, 상기 브러시 시일은 상기 증기 누설 유동 경로내의 상기 래비린스 치형부의 상류에 위치되어 있는

증기 터빈.
제 4 항에 있어서,

상기 고정 구성요소는 상기 플랫폼의 반경방향 외측으로 이격되고 이와 반경방향으로 일치된 내부 웨브(22)를 구비한 다이아프램을 구비하며, 상기 브러시 시일은 상기 웨브로부터 연장되고 상기 플랫폼상의 밀봉 표면(50)과 결합되는

증기 터빈.
제 6 항에 있어서,

상기 플랫폼으로부터 반경방향으로 이격된 치형부 팁에서 종료되는 상기 웨브로부터 연장되는 래비린스 치형부(60)를 포함하며, 상기 래비린스 치형부는 상기 브러시 시일로부터 축방향으로 이격되고, 상기 회전 구성요소 및 상기 고정 구성요소는 그 사이에 증기 누설 유동 경로를 규정하며, 상기 브러시 시일은 상기 증기 누설 유동 경로내의 상기 래비린스 치형부의 상류에 위치되어 있는

증기 터빈.
제 7 항에 있어서,

상기 플랫폼은 네크부(44)와, 상기 휠중 하나쪽으로 그리고 상기 네크부에서축방향으로 연장되는 적어도 하나의 플랜지(46)를 구비하며, 상기 밀봉 표면은 상기 플랜지상에 위치되어 있는

증기 터빈.
제 1 항에 있어서,

상기 플랫폼은 상기 회전 구성요소 둘레로 환형방향으로 연장되는 대좌(42)를 포함하며, 상기 대좌는 반경방향으로 연장되는 네크부(42)와, 각기 상기 휠쪽으로 상기 휠로부터 반대 축방향으로 연장되는 한쌍의 플랜지(46)를 구비하며, 상기 환형 표면(50)은 상기 플랜지중 하나상에 위치되는

증기 터빈.
로터 샤프트 표면을 구비하는 로터 샤프트(12)를 포함하는 회전 구성요소와, 상기 회전 구성요소 둘레에서 증기 누설 유동 경로(19)를 따라 회전 구성요소와 밀봉 결합하도록 브러시 시일(26)을 지지하는 고정 구성요소(17)를 구비하는 증기 터빈에서, 상기 브러시 시일과 회전 구성요소 사이의 마찰 접촉에 의해 발생된 열로 인해 상기 회전 구성요소 둘레에서의 원주방향의 균일하지 못한 열의 분산으로 야기되는 로터 샤프트의 휨을 실질적으로 제거하는 방법에 있어서,

마찰 접촉 영역을 로터 샤프트 표면의 반경방향 외측으로 이격된 밀봉 표면(50)을 따라 회전 구성요소와 브러시 시일 사이에 그리고 상기 밀봉 표면과 로터 샤프트 표면 사이의 휠 공간(48)의 일부분을 상기 로터 샤프트 표면과 일치되게위치시킴으로써, 상기 회전 구성요소와 브러시 시일 사이의 마찰 접촉에 의해 발생된 열로 인한 회전 구성요소로의 원주방향 균일하지 못한 열전달을 방지하는 단계를 포함하는

로터 샤프트 휨 제거 방법.