KR20030089488A - 증기 터빈용 노즐 박스 및 그의 형성 방법 - Google Patents

Abstract

노즐 박스는 서로 볼트 결합되는 제 1 및 제 2 노즐 박스 절반부를 구비한다. 각각의 노즐 박스 절반부는 그의 전체 180° 아크를 따라 노즐을 지지하는 노즐 링 세그먼트(nozzle ring segment)(12)를 구비하여, 노즐 박스 절반부가 서로 결합될 경우, 노즐 박스는 그의 360° 원주 둘레에서 노즐의 연속성을 갖도록 형성한다. 각각의 노즐 링 세그먼트 상에 지지된 노즐은 노즐 박스의 출구 평면과 수직한 입구(inlets) 및 연관된 통로와 연통한다.

Description

증기 터빈용 노즐 박스 및 그의 형성 방법{STEAM TURBINE NOZZLE BOX FEATURING A 360-DEGREE DISCHARGE NOZZLE}

본 발명은 증기 터빈의 노즐 박스용 수평으로 접속되고, 연속적인 노즐 링에 관한 것이다.

통상 노즐 박스는 4개의 다른 입구 포트에서 증기를 받아들인다. 전형적으로, 노즐 박스는 두 개 또는 그 이상의 부품으로 형성되며, 이들 부품은 서로 볼트 결합되어 완전한 노즐 박스를 형성한다. 각각의 노즐 박스 부품 내에서, 증기는 먼저 축 방향으로 흐르도록 재지향되고, 그 후에 노즐 박스의 출구 평면에 위치하는 노즐을 통해 회전자(rotor)의 회전축을 중심으로 가속된다. 노즐은 각각의 노즐 박스 부품과 연관된 궁형의 노즐 링 세그먼트에 의해 지지된다. 두 개의 노즐 박스 부품은 공통의 수평 조인트를 따라 볼트 결합되어, 동작 중에 견고하고 안정적인 구조를 제공한다.

종래 기술의 노즐 박스에 있어서, 노즐 박스의 수평 조인트의 구조적 두께는 박스를 따라서 그리고 각각의 노즐 링 세그먼트 내부로 축 방향으로 연장된다. 수평 조인트 부근에서의 노즐 링의 이러한 결과적인 불연속성은 도 4에 "A"로 표시되고, 이것은 수평 조인트 부근에서의 노즐 링의 환상 부분을 도시한다(도 4에 도시된 노즐 링의 환상 부분은 종래 기술의 이러한 특징을 명료하게 나타내기 위해 펼쳐지고 직선으로 도시되었다). 수평 조인트 부근에서의 노즐 기체 흐름의 연관된 분열(disruption)은 전체적인 기계의 효율을 떨어뜨리는 것으로 판명되었다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 노즐 박스에 전형적인 노즐 링의 수평 조인트 부분의 방해(interruption)[흐름 방해(flow blockage)]를 제거하는 것이다. 본 발명은 각각의 수평 조인트에서도 노즐을 연속적으로 지지하여 노즐의 연속적인 360°링을 형성하는 노즐 링 세그먼트를 사용하는 것에 의하여 증기 터빈의 전부하 효율(full-load efficiency)을 증가시키는 노즐 박스를 제공한다.

각각의 노즐 박스 절반부는 입구(inlet) 노즐과 환상 부분을 구비한다. 환상 부분은 세 개의 세그먼트, 즉 입구 노즐 박스 세그먼트, 전이 브리지(transition bridge) 세그먼트 및 노즐 링 세그먼트를 구비한다. 각각의 노즐 박스 절반부는 다른 노즐 박스 절반부와 양립될 수 있고, 그에 따라 서로 조립될 경우, 수평 조인트에서 방해 없이 노즐의 360°링이 만들어진다. 각각의 노즐 박스 절반부에 대하여, 노즐 링 세그먼트는 전이 브리지 세그먼트에 용접되고, 이것은 차례로 입구 노즐 박스 세그먼트에 용접된다.

그 후에, 두 개의 노즐 박스 절반부는 노즐의 완전한 360°링을 갖는 완전한 노즐 박스를 형상하기 위해 서로 볼트 결합된다.

도 1은 노즐 박스 절반부의 예시적인 실시예를 도시하는 도면,

도 2는 노즐 박스의 특징을 쉽게 참고하기 위해 직선으로 펼쳐진 조립된 노즐 박스의 환상 부분을 개략적으로 도시하는 도면,

도 3은 도 2에 도시된 수평 조인트(joint)의 확대도,

도 4는 수평 조인트 부근에서 펼쳐진 종래 기술 노즐 박스의 환상 부분을 개략적으로 도시하는 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 입구 12 : 노즐 링 세그먼트

14, 22 : 입구 노즐 박스 세그먼트 16, 24 : 브리지 세그먼트

18 : 환상 부분 26 : 수평 조인트

도 1은 입구(10)와 환상 부분(18)을 구비하는 노즐 박스의 한 절반부를 도시한다. 환상 부분(18)은 입구 노즐 박스 세그먼트(14), 전이 브리지 세그먼트(16) 및 노즐 링 세그먼트(12)를 구비한다. 입구(10)는 환상 부분(18)과 연통하고, 그에 따라 입구(10) 내로의 기체 흐름은 90°회전하고, 입구 노즐 박스세그먼트(14), 전이 브리지 세그먼트(16) 및 노즐 링 세그먼트(12)를 통해 차례로 흐른다. 두 개의 노즐 박스 절반부는 완전한 노즐 박스를 형성하기 위해 수평 조인트 (B)에서 결합한다.

전술한 구조의 구성 요소를 갖는 노즐 박스는 마크 에드워드 브래튼(Mark Edward Braaten)에게 허여되고, 제너럴 일렉트릭 캄파니에게 양도된 미국 특허 제 6,196,793 B1 호에 개시되어 있다. 미국 특허 제 6,196,793 B1 호의 개시 내용은 여기에서 참고로 인용된다.

도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명은 단부 블록을 각각의 180°아크(arc)를 따라 심지어는 수평 조인트에서도 완전하게 용접된 노즐을 갖는 노즐 링 세그먼트로 교체하는 것에 의하여, 노즐 박스의 수평 조인트 단부로부터 통상적인 데드 스페이스(dead space)를 제거한다. 순 결과는 제어 단계 및 전체적인 스팀 터빈 효율의 증가와, 부분적인 및 전체적인 아크 허용(arc admissions) 모두를 위한 제어 단계 버킷(buckets)상의 동적 굽힘 응력(dynamic bending stresses)의 감소이다. 결과적으로, 허용 각은 341°(전형적인 각)에서 360°로 증가한다.

종래 기술 링의 제조와 설계로 인한 분할(partitions)의 불연속성에 의해 발생하는 수평 조인트에서의 증기 흐름 방해가 제거된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이러한 종래 기술의 설계는 수평 조인트 부근에서 노즐을 갖지 않으며, 따라서 링 둘레에서 노즐의 두 개의 불연속(약 180°떨어짐)이 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 새로운 수평 접속 노즐 박스에서, 수평 조인트에서의 어떠한 노즐 불연속도 없는 노즐의 연속적인 링이 존재한다. 도 2는 직선으로 펼쳐진 360°노즐 링의 환상 부분을 도시한 것으로 노즐(20)이 펼쳐진 링을 따라 연속적으로 배치되어 있다. 도 2에서, 전이 브리지 세그먼트는 참조 번호 (24)로 표시되어 있고, 입구 노즐 박스 세그먼트는 참조 번호 (22)로 표시되어 있다.

도 3은 도 2에 도시된 수평 조인트 부근을 확대한 도면을 도시한다. 노즐 박스 절반부는 수평 조인트(26)에서 서로 볼트 결합된다(도시되지 않음). 도 3에 도시된 바와 같이, 노즐 링 세그먼트는 수평 조인트에서 노즐(20)의 어떠한 불연속도 존재하지 않는다.

본 발명이 바람직한 실시예를 고려하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구 범위의 정신과 범주 내에 속하는 다양한 수정과 균등한 장치를 포함하는 것으로 의도되어 있다.

본 발명의 증기 터빈용 노즐 박스에 수평 조인트에서 노즐의 불연속성을 제거함으로서 증기 터빈의 전부하 효율을 증가시키고, 또 제어 단계 버킷 상의 동적 굽힘 응력을 감소시킬 수 있다.

Claims (10)

1. 증기 터빈용 노즐 박스에 있어서,

   노즐 박스 출구 평면에 180° 아크(arc) 내에 배열되는 다수의 노즐을 갖는 노즐 링 세그먼트(12)와, 상기 노즐 링 세그먼트(12)에 용접된 전이 브리지 세그먼트(16)와, 상기 전이 브리지 세그먼트(16)에 용접된 입구 노즐 박스 세그먼트(14)를 구비하는 제 1 노즐 박스 절반부와,

   노즐 박스 출구 평면에 180° 아크 내에 배열되는 다수의 노즐을 갖는 노즐 링 세그먼트(12)와, 상기 노즐 링 세그먼트(12)에 용접된 전이 브리지 세그먼트(16)와, 상기 전이 브리지 세그먼트(16)에 용접된 입구 노즐 박스 세그먼트(14)를 구비하는 제 2 노즐 박스 절반부를 포함하고,

   상기 제 1 및 제 2 노즐 박스 절반부는 그들의 단부에 합치되는 수평 조인트를 구비하여, 서로 결합될 경우 노즐의 연속적인 360° 링이 상기 노즐 박스 출구 평면에 형성되는

   증기 터빈용 노즐 박스.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 노즐 박스 절반부는 각기 상기 제 1 및 제 2 입구 노즐 박스 세그먼트(14)의 각각에 형성된 적어도 하나의 입구를 포함하는 증기 터빈용노즐 박스.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 입구 노즐 박스 세그먼트(14)의 각각은 상기 적어도 하나의 입구로부터의 기체 흐름을 90°정도 재지향하는 증기 터빈용 노즐 박스.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 노즐 박스 절반부는 서로 볼트 결합되는 증기 터빈용 노즐 박스.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 노즐 박스 절반부는 서로 볼트 결합되는 증기 터빈용 노즐 박스.
6. 제 3 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 노즐 박스 절반부는 서로 볼트 결합되는 증기 터빈용 노즐 박스.
7. 증기 터빈용 노즐 박스를 형성하는 방법에 있어서,

   노즐 박스 출구 평면에 180° 아크 내에 배열되는 다수의 노즐을 갖는 노즐 링 세그먼트(12)와, 상기 노즐 링 세그먼트(12)에 용접된 전이 브리지 세그먼트(16)(24)와, 상기 전이 브리지 세그먼트(16)(24)에 용접된 입구 노즐 박스 세그먼트(14)를 구비하는 제 1 노즐 박스 절반부를 형성하는 단계와,

   노즐 박스 출구 평면에 180° 아크 내에 배열되는 다수의 노즐을 갖는 노즐 링 세그먼트(12)와, 상기 노즐 링 세그먼트(12)에 용접된 전이 브리지 세그먼트(16)(24)와, 상기 전이 브리지 세그먼트(16)(24)에 용접된 입구 노즐 박스 세그먼트(14)를 구비하는 제 2 노즐 박스 절반부를 형성하는 단계와,

   단부에 합치되는 수평 조인트를 갖는 상기 제 1 및 제 2 노즐 박스 절반부를 결합하되, 서로 결합될 경우 상기 노즐 박스 출구 평면에 노즐의 연속적인 360°링을 형성하는 단계를 포함하는

   증기 터빈용 노즐 박스의 형성 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 노즐 박스 절반부의 각각은 적어도 하나의 입구를 구비하도록 형성되는 증기 터빈용 노즐 박스의 형성 방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 입구 노즐 박스 세그먼트의 각각은 상기 적어도 하나의 입구로부터의 기체 흐름을 90°정도 재지향하도록 형성되는 증기 터빈용 노즐 박스의 형성 방법.
10. 제 7 항에 있어서,

    상기 제 1 및 제 2 노즐 박스 절반부는 서로 볼트 결합되는 증기 터빈용 노즐 박스의 형성 방법.