KR20070033012A - 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈 - Google Patents

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히로시 가와카미
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가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

터빈 케이싱과, 터빈 케이싱 내에 설치되고, 터빈 로터의 주(周) 방향으로 식설(植設)되는 터빈 가동 블레이드와, 이 가동 블레이드와 쌍을 이루어 그 상류측에 터빈 로터의 주 방향에 따라 배설된 터빈 노즐로 이루어지는 터빈 단락 복수 단(段) 구비하고, 또한, 터빈 케이싱과 거의 동심(同心)으로 형성되고, 내부의 축방향으로 결합 고정된 복수의 터빈 노즐을 갖는 통체(筒體)를 구비한 증기 터빈의 터빈 노즐 지지 장치에서는 이 터빈 케이싱에 그 외주부가 고정되는 동시에 그 내주부에는 통체의 외주부가 고정되는 고정용 격리판을 가지며, 이 고정용 격리판은 이 격리판을 경계로 한 상류측과 하류측의 분위기를 차단하는 동시에 그 설치 위치를 통체의 축방향 중앙보다도 하류측에 설치했다.
터빈 케이싱, 터빈 가동 블레이드, 복수 단(段), 터빈 노즐 지지 장치

Description

터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈{TURBINE NOZZLE SUPPORT DEVICE AND STEAM TURBINE}
본 발명은 증기 터빈의 터빈 노즐(고정 블레이드)의 지지 장치 및 그 지지 장치를 구비한 증기 터빈에 관한 것으로, 특히 터빈 노즐을 복수 지지하여 터빈 케이싱을 고정하는 터빈 노즐 지지 장치의 구조에 관한 것이다.
증기 터빈은 터빈 케이싱 내에 설치된 터빈 로터(회전축)의 주(周) 방향으로 식설(植設)된 터빈 가동 블레이드와, 이 터빈 가동 블레이드와 쌍을 이루어 그 상류 측에서 터빈 로터 주(州) 방향을 따라 배설되는 터빈 노즐(고정 블레이드)로 이루어지는 터빈 단락(段落)을 구비하고, 이러한 터빈 단락 복수 단(段) 구비하는 구성으로 되어 있다.
이 중, 터빈 노즐(고정 블레이드)은 노즐 다이어프램(nozzle diaphragm) 내륜(內輪)과 다이어프램 외륜(外輪)과의 사이에 협지되고, 이 노즐 다이어프램 외륜을 터빈 케이싱으로 지지함으로써 케이싱의 내부에 고정되어 있다.
또한, 복수의 터빈 단락의 터빈 노즐(고정 블레이드)을 1개의 터빈 노즐 지지 장치라 불리는 지지 장치로 지지하고, 이 터빈 노즐 지지 장치를 터빈 케이싱으로 지지하는 구조도 채용되어 있다.
종래의 터빈 노즐 지지 장치의 일례를 도 11을 사용하여 설명한다.
도 11은 종래의 터빈 노즐 지지 장치의 상반부 단면을 나타낸 것이며, 도 11에서, 터빈 노즐 지지 장치(57)는 터빈 로터(52)와 대략 평행하게 축방향으로 신장하는 통체(56)와, 이 통체(56)를 터빈 케이싱(51)에 결합/지지시키기 위한 지지 플랜지(58)로 구성된다. 그리고, 통체(56)의 내면에는 노즐 다이어프램 외륜(도시 생략)과 결합하는 홈이, 지지하는 노즐판(53)의 수(도 11의 예에서는 4개 장소)만큼 설치되어 있다. 또한, 통체(56)는 조립 작업의 관계로부터 반 원통 형상의 2 분할 구조로 되어 있으며, 분할면에 설치한 플랜지 등의 이음새에 의해 볼트 등에 의해 기계적으로 결합되어 있다.
그리고, 이렇게 구성된 터빈 노즐 지지 장치(57)는 지지 플랜지(58)와, 터빈 케이싱(51)과의 위치 결정 작업 등의 조립 작업의 용이성의 관계로부터, 터빈 케이싱(51)의 비교적 상류 측에 결합/지지되어 있다.
그런데, 터빈 노즐 지지 장치(57) 내의 각 단락(55)을 통과하는 고온 고압의 증기는 가동 블레이드(54)에 회전력을 부여하는 동시에, 증기 자체는 압력과 온도를 저하시키면서 하류 측으로 향한다. 한편, 터빈 케이싱(51)과 터빈 노즐 지지 장치(57)(통체(56) 외측)와의 사이의 공간은, 증기 터빈의 상류 측에는 터빈 단락에 삽입되기 이전의 고압의 증기가, 하류 측에는 모든 단락을 통과하여 압력을 잃은 저압의 증기로 각각 채워진다. 그 때문에, 서로 압력이 다른 증기의 유통(流通)을 방지하기 위해 상기 지지 플랜지(58)는 압력 장벽으로서의 역할을 겸하고 있다.
이러한 터빈 노즐 지지 장치(57) 내외(內外)와 지지 플랜지(58) 전후의 각각의 압력 분포의 관계를 나타낸 것이 도 12이다. 여기서, 점선(P1)으로 나타낸 커브는 터빈 노즐 지지 장치(57)의 내주(內周) 측의 각 단락을 통과하는 증기의 압력 분포이며, 단락을 통과할 때마다 압력이 순차적으로 저하해가는 모양을 나타내고 있다. 한편, 실선(P2a, P2b)으로 나타낸 라인은 압력 장벽을 겸하는 지지 플랜지(58)의 상류측 분위기(59)의 압력, 하류측 분위기(60)의 압력을 각각 나타내고 있다. 그리고, 사선으로 나타낸 부분(면적)은, 내외의 압력 차에 의해 터빈 노즐 지지 장치(57)(통체(56))가 받아들이는 압력을 말한다. 즉, 사선부 면적(A1)에서는, 통체(56)의 외주측 압력이 내주측 압력보다 크기 때문에, 통체(56)에서는 외측으로부터 압력을 받아들이는 한편, 사선부 면적(A2)에서는, 통체(56)의 내주측 압력이 외주측 압력보다 크기 때문에, 통체(56)에서는 내측으로부터 압력을 받아들이게 된다. 그리고, 이 경우, 사선부 면적은 A2의 쪽이 A1보다 압도적으로 크기 때문에, 터빈 노즐 지지 장치(57)는 전체로서 내압을 지지해야 함을 알 수 있다.
그런데, 이러한 터빈 노즐 지지 장치에 발생하는 상류측과 하류측의 압력차를 사용하는데 있어서 터빈 노즐 지지 장치를 케이싱에 지지시키는 예로서, 터빈 노즐 지지 장치 외주에 오목홈부를 설치하는 동시에, 터빈 케이싱 내면에는 볼록 형상의 리브(rib)를 형성하여 이 오목홈과 결합시킴으로써, 터빈 노즐 지지 장치를 지지하는 동시에, 이 리브 전후에 발생하는 압력차에 의한 스러스트(thrust) 력에 의해 터빈 노즐 지지 장치 오목홈부 측면을 터빈 케이싱의 볼록 형상 리브 측면으로 가압하여 고정하는 것이 있다(예를 들면, 일본국 공개 특허 공보 평10-103009호 참조).
그런데, 도 11의 참조에서, 터빈 노즐 지지 장치(57) 중, 통체(56)에는 몇몇의 개선해야 할 문제점이 있다. 그 하나로서 통체 내측, 즉 단락을 통과하는 증기의 리크(누설)가 있다.
상술한 바와 같이, 터빈 노즐 지지 장치(57)(통체(56))는 항상 내압을 지지하고 있으며, 그 지지는, 통상, 분할 구조의 통체(56)의 접합면에 설치한 이음새(접속 플랜지)부에서의 복수의 체결 볼트이다. 그리고, 증기 터빈 운전시에는 이 체결 볼트의 온도가 단락을 통과하는 증기와 거의 동일한 온도가 된다. 최신의 증기 터빈에서는 그 증기 온도(입구 온도)는 600℃ 전후에 달하고 있다. 그 때문에, 장기간의 운전에 따라 체결 볼트에는 소위 크리프 변형이 서서히 발생하고, 운전 초기의 체결력은 유지할 수 없게 되며, 그 결과, 증기 리크가 발생해버릴 가능성이 있다.
또한, 하나의 터빈 노즐 지지 장치(57)에 지지시키는 터빈 노즐(53)의 수가 많아지게 되면, 그 축방향의 길이도 길어지기 때문에, 전기(前記)의 체결 볼트의 크리프 변형에 부가하여, 터빈 노즐 지지 장치(57) 자체의 온도 분포에 의한 열팽창에 의한 변형, 단락(55)을 통과하는 증기의 압력 분포, 체결 볼트의 수 등이 복잡하게 서로 얽혀서, 통체(56)의 접합면 전체에 걸쳐 균일한 체결력을 얻는 것이 어렵고, 미소한 증기 리크를 피할 수 없다.
상기에 의한 리크를 피하기 위한 대책으로서, 체결 볼트의 직경의 증대나 통체(56)의 이음새(접속 플랜지)부 면적의 증대 등이 생각되지만, 어느 것이나 터빈 노즐 지지 장치(57)의 대형화로 이어지며, 필연적으로 터빈 케이싱(51)의 용적이 대형화되어, 고가의 비용이나 증기 터빈의 설치 면적 확보 등의 문제로 이어진다.
또한, 통체(56)는 이음새(접속 플랜지)부 만을 다수의 체결 볼트에 의해 견고하게 고정하고 있기 때문에, 예를 들면, 내압이나 열 팽창에 의한 변형은 강도(强度)적으로 약한 것 이외의 원통 부분에 집중할 가능성이 있다. 그러나, 이러한 불균일한 변형은 터빈 케이싱(51)의 그라운드부에 설치한 봉인 핀(seal fin), 터빈 노즐(53)과 터빈 로터(52)와의 사이에 설치한 봉인 핀, 혹은 터빈 가동 블레이드(54) 선단부와 터빈 노즐 지지 장치(57)와의 사이에 설치한 봉인 핀 등의 간격을 변화시키며, 간격이 좁아지면 러빙(rubbing)(접촉)을 발생시켜서 운전 정지를 부득이하게 시키고, 반대로 간격이 넓어지게 되면 증기 리크가 커져서, 터빈 내부 효율 저하의 요인이 된다.
이렇게, 터빈 노즐 지지 장치의 변형에 따른 증기 리크는 터빈 내부 효율의 저하로 이어지고, 반대로, 증기 리크의 방지를 강화시키면, 체결 볼트의 대형화로 이어지며, 나아가서는 터빈 노즐 지지 장치를 결합시키는 터빈 케이싱의 대형화를 초래하는 등의 문제가 있다.
본 발명은, 상기의 종래 기술에 있어서의 과제의 해결을 도모하기 위해, 이음새(접속 플랜지)부의 체결 볼트의 체결력에 의지하는 않고 이음새(접속 플랜지)부를 조밀하게 접속시켜 증기 리크의 저감화를 도모하는 동시에, 주(周) 방향으로 균일한 강성을 갖는 터빈 노즐 지지 장치, 및 그러한 지지 장치를 구비한 증기 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명에 의한 터빈 노즐 지지 장치는, 터빈 케이싱과, 터빈 케이싱 내에 설치된 터빈 로터와, 상기 터빈 로터의 주(周) 방향으로 식설(植設)된 터빈 가동 블레이드와, 해당 터빈 가동 블레이드의 상류 측에 쌍을 이루어 배설된 터빈 노즐로 이루어지는 터빈 단락 복수단과, 상기 터빈 케이싱과 거의 동심(同心)으로 형성되는 동시에, 복수의 상기 터빈 단락에 배설된 터빈 노즐을 내부의 축방향으로 결합 고정하여 유지하는 통체(筒體)와, 상기 터빈 케이싱에 그 외주부가 고정되는 동시에 그 내주부에는 상기 통체의 외주부가 고정되는 고정용 격리판을 갖는 증기 터빈의 터빈 노즐 지지 장치로서, 상기 고정용 격리판은 이 격리판을 경계로 한 상류측과 하류측의 분위기를 차단하는 동시에, 그 설치 위치를 상기 통체의 축방향 중앙보다도 하류측에 설치한 것을 특징으로 한다.
이러한 증기 터빈의 터빈 노즐 지지 장치에서, 상기 통체는 그 축방향에 따라 2 분할되고, 서로 대향하는 분할면에는 접속 플랜지가 각각 설치되는 동시에, 그것들의 접속 플랜지는 서로 체결 볼트에 의해 체결되어 있다.
또한, 통체에는 분할면에 설치된 접속 플랜지에 부가하여, 그 외주부에 볼록 형상의 더미 플랜지를 설치해도 된다.
상기 볼록 형상의 더미 플랜지는 이 통체에 설치된 2개의 접속 플랜지 사이에 균등하게 배치되어 있는 것이 바람직하고, 특히, 2개의 접속 플랜지 사이의 45도 위치, 또는 60도 위치에 균등하게 배치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 더미 플랜지는 상기 접속 플랜지와 거의 동일한 형상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 통체는 해당 통체의 축에 대칭하는 단면 형상을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상술의 목적을 더 달성하기 위해 제공되는 본 발명의 증기터빈은 터빈 케이싱과, 터빈 케이싱 내에 설치된 터빈 로터와, 상기 터빈 로터의 주(周) 방향으로 식설(植設)되는 터빈 가동 블레이드와 해당 터빈 가동 블레이드의 상류측에 쌍을 이루어 배설된 터빈 노즐로 이루어지는 터빈 단락 복수단과, 상기 터빈 케이싱과 거의 동심으로 형성되는 동시에, 복수의 상기 터빈 단락에 배설된 터빈 노즐을 내부의 축방향으로 결합 고정하여 유지하는 통체와, 상기 터빈 케이싱에 그 외주부가 고정되는 동시에, 그 내주부에는 상기 통체의 외주부가 고정되는 고정용 격리판을 갖고, 상기 고정용 격리판은 이 격리판을 경계로 한 상류측과 하류측의 분위기를 차단하는 동시에, 그 설치 위치를 상기 통체의 축방향 중앙보다도 하류측에 설치한 것을 특징으로 한다.
상술의 특징을 갖는 본발명에 따른 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈에서는, 그 분할면의 접속용 체결 볼트를 작게 구성할 수 있고, 또는 그 개수를 삭감할 수 있는 동시에, 터빈 노즐 지지 장치 내외의 증기 압력 차에 의해 그 분할면이 견고하게 고정되기 위해, 단락을 통과하는 증기의 리크를 저감할 수 있고, 터빈 내부 효율을 한층 향상시킬 수 있다.
도 1은 본발명에 따른 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈의 일부를 나타내는 제 1 실시 형태의 개략 단면도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 터빈 노즐 지지 장치의 내외(內外) 주측의 압력을 나타내는 압력 분포선 도면.
도 3은 종래의 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈과 본 발명에 따른 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈을 대비시킨 것으로, 도 3의 (a)는 종래의 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈의 정면 종단면도, 도 3의 (b)는 본 발명에 따른 터빈 노즐 및 증기 터빈의 정면 종단면도.
도 4는 본 발명에 따른 터빈 노즐 지지 장치의 제 1 실시 형태의 변형예를 나타내는 개략 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 터빈 노즐 지지 장치를 나타내는 제 2 실시 형태의 개략 단면도.
도 6은 도 5의 VI-VI 실선 방향으로 절단한 절단 단면도.
도 7은 터빈 노즐 지지 장치에 더미 플랜지를 구비하지 않는 경우의 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈을 나타내는 단면도.
도 8은 터빈 노즐 지지 장치에 더미 플랜지를 구비한 경우의 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈을 나타내는 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈의 제 2 실시 형태의 변형예를 나타내는 개략 단면도.
도 10은 본 발명에 따른 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈의 제 2 실시 형태의 다른 변형예를 나타내는 개략 단면도.
도 11은 종래의 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈의 일부를 나타내는 개략 단면도.
도 12는 종래의 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈 중 터빈 노즐 지지 장치의 내외주 측의 압력을 제시하는 압력 분포선 도면.
도 13은 본원 발명이 적응되는 증기 터빈의 축방향 개략 단면이며, 원형으로 둘러싸여진 부분의 확대도가 도 1에 대응함.
이하, 본 발명의 1 실시예에 따른 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈의 실시 형태를 도면 및 도면에 부여한 부호를 인용하여 설명한다.
도 13은 본 실시 형태에 따른 증기 터빈의 길이 방향 개략 단면도를 나타낸다. 증기 터빈은 일반적으로, 고압 터빈, 중압 터빈 및 저압 터빈의 각 압력 구분을 갖고 있다. 도 13은 이들 중 고압 터빈, 중압 터빈을 나타낸 것이다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 전술한 증기 터빈의 각 압력 구분 중 고압 터빈 및 중압 터빈은 하나의 터빈 케이싱(1) 내에 일체로서 설치되어 있다. 고압 터빈 및 중압 터빈은 각각, 터빈 로터(회전축)(2)의 주 방향으로 식설된 터빈 가동 블레이드(3)와, 이 터빈 가동 블레이드(3)와 쌍을 이루어 그 상류측으로 터빈 로터 주 방향을 따라 배설되는 터빈 노즐(고정 블레이드)(4)로 이루어지는 터빈 단락(5)을 구비하고, 이러한 터빈 단락이 복수단 설치된 구성으로 되어 있다.
한편, 도 13에서, 1' --- 14'는 고압 터빈의 각 단부를 나타내고, 주(主) 증기는 1' --- 14'의 순으로 흘러서 가동 블레이드를 회전시킨 후 배기된다. 한편, 15' --- 22'는 중압 터빈의 각 단부이며, 고압 터빈으로부터 배기된 증기는 도면에 나타내지 않은 보일러에서 재가열되어 재가열 증기로 되며, 이 재가열 증기는 각 단부 15' --- 22'의 순으로 흘러서 가동 블레이드를 회전시키고, 그 후 배기된다.
중압 터빈의 각 터빈 단락 등의 터빈 노즐(고정 블레이드)(4)은 노즐 다이어프램(diaphragm) 내륜(內輪)과 다이어프램 외륜(外輪)과의 사이에 협지되고, 이 노즐 다이어프램 외륜을 터빈 케이싱(1)에 의해 지지함으로써 케이싱(1)의 내부에 고정되어 있다.
이에 대하여, 고압 터빈의 특히 하류측의 터빈 단락에서는 복수의 터빈 단락의 터빈 노즐(고정 블레이드)(4)을 1개의 터빈 노즐 지지 장치라 불리는 지지 장치로 지지하고, 이 터빈 노즐 지지 장치를 터빈 케이싱(1)에 의해 지지하는 구조가 채용되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 터빈 노즐 지지 장치의 제 1 실시 형태를 나타내는 개략도이며, 도 13에 나타내는 증기 터빈의 원형으로 둘러싸여진 부분의 확대도이다. 수평면으로 축방향에 따라 2 분할된 상반 부분과 하반 부분 중, 상반 부분의 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈을 나타내고 있다.
한편, 본원 발명의 실시예의 설명에서, 상하, 좌우 등 방향, 위치 등을 나타내는 용어는 도면에 나타내는 상태, 또는, 증기 터빈의 수평면 축방향에 따라 설치된 상태를 기본으로서 사용하고 있는 것임을 이해해야 한다.
도 13을 참조하여 기술한 바와 같이, 증기 터빈은 터빈 케이싱(1) 내에 설치되고, 터빈 로터(회전축)(2)의 주 방향에 따라 식설된 터빈 가동 블레이드(4)와, 이 터빈 가동 블레이드(4)와 쌍을 이루어 그 상류측에 터빈 로터 주 방향에 따라 배설되는 터빈 노즐(고정 블레이드)(3)로 이루어지는 터빈 단락(5)으로 이루어지며, 이러한 터빈 단락(5) 복수단 설치한 각 압력 구분(일반적으로, 고압부, 중압부 및/또는 저압부)에 의해 구성되어 있다.
한편, 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에서의 터빈 노즐 지지 장치(7)는, 터빈 로터(2)와 대략 평행하게 축방향으로 성장하는 통체(筒體)(6)와, 이 통체(6)를 터빈 케이싱(1)에 의해 결합/지지시키는 동시에 터빈 케이싱(1)의 내측과 통체(6)의 외측에 형성되는 공간의 분위기를 그 상류측(9)과 하류측(10)으로 격리 차단하는 고정용 격리판(8)으로 구성된다. 또한, 통체(6)의 내면에는 터빈 노즐(고정 블레이드)(3)과 결합하는 홈(도시 생략)이 설치되고, 이 홈은 지지하는 터빈 노즐(고정 블레이드)(3)의 수(도 1의 예에서는 4개 장소)만큼 설치되어 있다.
그리고, 고온 고압의 증기는 증기 터빈 축방향으로 상류측으로부터 하류측(도면 우측 내부로부터 좌측 외부로, 즉 도 13에서, 1'로부터 14'의 방향으로)을 향하여 단락(5) 내를 순차로 통과하고, 그 때마다, 그 에너지를 가동 블레이드(5)의 회전 에너지로 변환하고, 증기 자체는 압력과 온도를 저하시켜서 증기 터빈으로부터 배출된다.
이러한 구성의 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈에서, 본 실시 형태에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 터빈 노즐 지지 장치(7)의 터빈 케이싱(1)에 결합하여 고정 지지하는 고정용 격리판(8)을, 터빈 노즐 지지 장치(7)(통체(6))의 축방향 중심 위치(C)(터빈 노즐 지지 장치(7)의 전체 길이를 L이라 하면, 길이 L/2의 위치)보다도 하류측에 설정한 것이다. 더욱 구체적으로는, 도 1에 나타내는 바와 같이 고정용 격리판(8)과 통체(6)와의 접속부 하류측의 접속 후단부점(11)을 터빈 노즐 지지 장치(7)(통체(6))의 축방향 중심 위치(C)보다도 하류측에 설정한 것이다.
도 2는 고정용 격리판(8)을 이러한 위치에 설정했을 때의, 터빈 노즐 지지 장치(7)의 내외에 부하되는 증기 압력을 나타낸 것이다.
여기서, 점선(P1)으로 나타낸 커브는 터빈 노즐 지지 장치(7)의 내측의 각 단락을 통과하는 증기의 압력 분포이며, 단락을 통과할 때마다 압력이 순차적으로 저하해가는 모양을 나타내고 있다. 한편, 실선(P2a, P2b)으로 나타낸 라인은 고정용 격리판(8)(접속 후단부점(11))을 경계로 한 터빈 케이싱(1)의 내측과 통체(6)의 외측에 형성되는 공간에서의 상류측(9) 압력과 하류측(10) 압력을 나타내고 있다. 그리고, 사선에 나타낸 부분은 터빈 노즐 지지 장치(7)가 내외 압력차에 의해 받아들이는 압력을 나타내고 있다.
여기서, 고정용 격리판(8), 보다 상세하게는, 접속 후단부점(11)보다 상류측의 사선부(A1)를 보면, 외주측 압력(실선(P2a))이 내주측 압력(점선)보다도 크다. 즉, 이 부분에서는, 터빈 노즐 지지 장치(7)는 외주측에서의 압력을 받아들이고 있는 것을 안다. 한편, 고정용 격리판(8)(접속 후단부점(11))보다 하류측의 사선부(A2)를 보면, 내주측 압력(점선)이 외주측 압력(실선(P2b))보다도 크다. 즉, 이 부분에서는, 터빈 노즐 지지 장치(7)는 내주측에서의 압력을 받아들이고 있는 것을 안다. 그리고, 상류측의 사선부 면적(A1)과 하류측의 사선부 면적(A2)을 비교하면, 상류측의 사선부 면적(A1) 쪽이 넓은 것을 안다. 이것은, 터빈 노즐 지지 장치(7) 전체로서 보았을 경우에는, 외주측에서의 압력을 받아들이게 된다.
그리고, 이러한 터빈 노즐 지지 장치(7) 전체가 외주측에서 압력을 받아들이고 있다는 것은, 분할 구조의 터빈 노즐 지지 장치(7)여도, 분할면만 정확히 위치 결정될 수 있으면 특히 볼트 등의 고정구(固定具)를 필요로 하지 않는다는 것을 의미한다.
도 3의 (b)는 이것을 적용한 본 실시 형태를 구체적으로 나타내는 것으로, 터빈 노즐 지지 장치(7)의 통체(6)는 수평면(HL)으로 축방향을 따라 2 분할된 구조를 하고 있지만, 특히 플랜지, 체결 볼트 등은 설치할 필요가 없어진다.
한편, 도 3의 (a)는 본 실시 형태와 동일 직경의 통체(56)를 갖는 종래 구조의 터빈 노즐 지지 장치(57)이지만, 수평 분할면(HL)에는 접합 플랜지(63a, 63b)나 체결 볼트(64)가 설치되어 있다. 그리고, 이들을 수용하기 위해, 터빈 케이싱(51)은 분명하게 본 실시 형태의 터빈 케이싱(1)과 비교해서 직경이 커지고 있다.
즉, 도 3의 (a)의 예에서는 내주측 압력이 높아지게 되면, 외주측 압력이 작아지게 된다. 한편, 도 3의 (b)의 예에서는 내주측 압력이 작아지게 되면, 외주측 압력이 높아지게 된다.
이렇게, 본 실시 형태에서는 고정용 격리판(8)의 접속 후단부점(11)을 터빈 노즐 지지 장치(7)의 축방향 중심의 위치(C)보다도 하류측에 배치시키고, 터빈 노즐 지지 장치(7)의 외주측에 부하되는 압력을 그 내주측에 부하되는 압력에 비해서 높게 하도록 구성했으므로, 분할 구조인 터빈 노즐 지지 장치에는 플랜지나 체결 볼트를 설치할 필요가 없어지는 동시에, 체결 볼트가 없기 때문에 터빈 노즐 지지 장치(7)는 예를 들어 장기간 고온에 노출되어도, 볼트의 크리프 변형에 따른 분할 면에서의 증기 리크가 없어진다. 그 결과, 증기 터빈은 장기간에 걸쳐 항상 내부 효율을 높게 유지시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 터빈 노즐 지지 장치(7)에서는, 통체(6)가 수평면(HL)으로 축방향에 따라 2 분할된 구조를 하고 있으며, 그 분할면에는 특히 플랜지, 체결 볼트 등은 설치하지 않고 있지만, 도 2에 나타내는 바와 같이, 외주측에서 압력을 받아들이는 영역(접속 후단부점(1l)로부터의 상류측의 통체 길이)이 반드시 충분한 것은 아니다. 따라서, 증기 조건에 따라서는 통체(6)의 내주측에서 압력을 받아들이는 접속 후단부점(11)으로부터 하류측의 통체(6)의 분할면에서의 증기의 리크도 생각된다. 이 경우에는, 보조적으로 리크 대책으로서 종래와 같은 접속 플랜지와 체결 볼트의 조합을 병용하여도 좋다. 또한, 증기 진동 등에 의한 통체(6)의 분할면의 위치 어긋남을 방지하기 위해서, 상설(常設)의 접속 플랜지를 설치해서 체결 볼트에 접속하도록 해도 좋다. 이 경우에는, 종래의 접속 플랜지나 체결 볼트에 비교해서 그 크기, 직경 및 수를 저감한 것이어도 좋다.
도 4는 본 발명에 따른 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈의 제 1 실시 형태별의 변형예를 나타내는 개략 단면도이다. 또한, 제 1 실시 형태의 구성 요소와 동일 구성 요소에는 동일한 부호를 부여한다.
본 변형예에서는 도 4에 나타내는 바와 같이, 터빈 노즐 지지 장치(7)의 터빈 케이싱(1)에 의해 결합하여 고정 지지하는 고정용 격리판(8)을, 터빈 노즐 지지 장치(7)(통체(6))의 축방향 중심 위치(C)(터빈 노즐 지지 장치(7)의 전체 길이를 L이라 하면, 길이 L/2의 위치)보다도 큰 하류측(도면에서 좌측)에 설정(예를 들면, 터빈 노즐 지지 장치(7)의 전체 길이를 L이라고 하면, 길이 3L/4의 위치)한 것이다.
이러한 위치에 고정용 격리판(8)을 설정함으로써, 도 2에 나타낸 고정용 격리판(8)(접속 후단부점(11))보다 상류측의 사선부 면적(A1)이 크게 증가하면, 하류측 면적(A2)이 감소함으로써 터빈 노즐 지지 장치(7) 전체로서는 외주측에서 받아들이는 압력이 제 1 실시 형태보다도 또한 커진다. 따라서, 제 1 실시 형태와 같이, 리크 대책용의 접속 플랜지나 체결 볼트를 설치할 필요가 없어진다.
이렇게, 본변형예에서는 고정용 격리판(8)의 접속 후단부점(11)을 터빈 노즐 지지 장치(7)의 축방향 중심의 위치(C)보다도 대폭 하류측에 배치시키고, 터빈 노즐 지지 장치(7)의 외주측에 부하되는 압력을 그 내주측에 부하되는 압력과 비교해서 높도록 구성했으므로, 분할 구조인 터빈 노즐 지지 장치에는 플랜지나 체결 볼트를 설치할 필요가 없어지는 동시에, 체결 볼트가 없기 때문에 터빈 노즐 지지 장치(7)가 예를 들어 장기간 고온에 노출되어도, 볼트의 크리프 변형에 따른 분할면에서의 증기 누락은 저감될 수 있다. 그 결과, 증기 터빈은 장기간에 걸쳐 항상 내부 효율을 높게 유지시킬 수 있다.
또한, 구체적인 고정용 격리판(8)의 터빈 노즐 지지 장치(7)에서의 위치에 대해서는, 적용하는 증기 터빈의 증기 조건이나 운전 조건, 터빈 노즐 지지 장치(7)가 지지하는 터빈 노즐의 수 등을 고려하여 결정된다.
이 경우에 있어서도, 제 1 실시 형태와 같이 증기 진동 등에 의한 분할면의 어긋남을 방지하기 위해 접속 플랜지 및 체결 볼트를 설치해도 된다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈의 제 2 실시 형태를 나타내는 개략도이다.
이 제 2 실시 형태에 따른 터빈 노즐 지지 장치(7)는 복수의 터빈 노즐(3)이 결합, 지지되는 통체(6)의 외주부에, 이 통체의 분할면에 설치한 접속 플랜지(13a, 13b)와는 별도로 더미 플랜지(15)를 설치한 것이다.
도 7과 도 8은 더미 플랜지(15)를 설치한 효과를 설명하는 도면이며, 터빈 노즐 지지 장치(7) 중 동일 직경의 통체(6)를 갖는 증기 터빈 단면을 나타낸 것이다. 이 중, 도 7은 종래의 더미 플랜지가 없을 경우, 도 8은 더미 플랜지를 갖는 본 실시 형태의 경우에서, 그 변형량을 도식적으로 나타내고 있다.
도 7에 나타내는 종래의 경우, 접속 플랜지(13a, 13b)는 체결 볼트(14)로 견고하게 고정되어 있기 때문에, 통체(6)는 예를 들면, 내압에서 외측으로 팽창하려고 했을 경우, 통체(6) 전체에서는 그 직경이 균등하게 팽창하는 방향, 즉, 구체적으로는 통체(6)의 내주면의 수직 방향으로 균등하게 압력이 작용한다. 그러나, 접속 플랜지(13a, 13b)가 있는 접속면(HL선) 방향은 접속 플랜지의 두께나 체결 볼트의 체결력에 의해, 통체(6)의 다른 부분보다 강성이 높게 되어있기 때문에, 그 변형은 구속된다. 따라서, 이 부분과 비교하여 강성이 약하고, 예를 들면 수직 방향으로 변형이 커진다. 따라서, 통체(6) 전체에서는 타원형으로 변형할 가능성이 있다.
이에 대하여, 도 8의 본 발명 실시 형태에 나타내는 바와 같이 강성이 약하다고 생각되는 부분에 접속 플랜지(13a, 13b)와 대략 동일 형상의 더미 플랜지(15) 를 설치함으로써, 이 부분의 강성이 확보되고, 변형량이 거의 균등해진다.
즉, 도 7의 예에서는 그 양방향 화살표로 나타내는 바와 같이, 수직 방향에는 강성은 작고 변형량은 크며, 한편, 수평 방향에서는 강성은 크고 변형량은 작게 유지된다. 또한, 이 점은, 도 8의 예에서는 양방향으로, 강성이 크고 변형량은 작게 유지된다.
본 실시 형태는 이러한 사상을 근거로 하여 행해진 것이다. 구체적으로는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 통체(6)는 축방향 수평면(HL)으로 분할되고, 분할면에는 접속 플랜지(13a, 13b)와 체결 볼트(14)를 설치하는 동시에, 접속 플랜지(13a, 13b)로부터 가장 멀리 떨어진 위치에 더미 플랜지(15)를 설치하고, 터빈 노즐 지지 장치(7)(통체(6))의 강성을 보다 한층 높게 한 것이다.
그리고, 이러한 더미 플랜지(15)를 갖는 통체(6)로 구성된 터빈 노즐 지지 장치(7)를 증기 터빈에 채용함으로써, 도 5에 나타내는 바와 같은 가동 블레이드(4)의 선단부나 터빈 노즐(4)의 내주측에는 봉인 핀(16, 17)의 간격(16a, 17a)을, 증기 터빈의 운전 상태(터빈 노즐 지지 장치의 내외 압력차의 변동의 대소)에 관계되지 않고 일정하게 유지하는 것이 가능하게 된다.
이렇게, 본 실시 형태에서는 터빈 노즐 지지 장치(7)에 접속 플랜지(13a, 13b) 이외에, 더미 플랜지(15)를 설치하고, 터빈 노즐 지지 장치(7)의 높은 강성 아래, 가동 블레이드 선단부 측의 봉인 핀(16)의 간격(16a) 및 터빈 노즐 내주면 측 봉인 핀(17)의 간격(17a)의 간격 거리를 거의 일정하게 유지시켰으므로, 터빈 노즐(3) 및 가동 블레이드(4)의 각 봉인 핀(16, 17)으로부터의 증기 리크를 적게 시킬 수 있고, 터빈 내부 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 더미 플랜지(15)의 형상은 상기한 바와 같이 접속 플랜지(13a, 13b)와 거의 동일 형상이 바람직하지만, 터빈 노즐 지지 장치(7)(통체(6))의 변형 상태를 해석하고, 통체(6)가 균등하게 변형하는 것과 같은 형상의 더미 플랜지(15)라면 특히 그 형상은 문제되지 않는다. 또한, 터빈 노즐 지지 장치(7)(통체(6)) 축방향 전체 길이에 걸쳐서 더미 플랜지(15)를 설치하지 않아도, 길이 방향의 변형량을 고려해서 그 일부분에 설치한 것뿐이라도 좋다.
부가하여, 본 실시 형태는 축방향 수평면(HL)으로 터빈 노즐 지지 장치(7)(통체(6))를 분할하고, 분할한 분할면에 접속 플랜지(13a, 13b)를 설치했지만, 터빈 노즐 지지 장치(7)(통체(6))의 분할 위치를 수직면(축방향 수평면에 대하여 90°방향)으로 분할하여도 좋다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈의 제 2 실시 형태별의 다른 변형예를 각각 도시한 개략도이다.
도 9의 변형예에 따른 터빈 노즐 지지 장치 및 증기 터빈은 축방향 수평면(HL)으로 분할한 분할면에 접속 플랜지(13a, 13b)와 체결 볼트(14)를 터빈 노즐 지지 장치(7)에 설치하는 동시에, 수평면(HL)으로부터 각도 45°마다 등배분으로 나누어서 더미 플랜지(15a, 15b, 15c, …)를 설치한 것이다.
이렇게, 본 변형예에서는 터빈 노즐 지지 장치(7)에 플랜지(13a, 13b)를 부가하고, 수평 분할면(HL)으로부터 각도 45°마다 등배분으로 나누어서 더미 플랜지(15a, 15b, 15c, …)를 설치하고, 터빈 노즐 지지 장치(7)의 내외주측의 압력차 등에 의거하는 변형량을 보다 한층 적게한 구성으로 했으므로, 터빈 노즐 및 가동 블레이드 등에 설치한 봉인 핀으로부터의 증기 리크를 억제하여 터빈 내부 효율을 높게 유지시킬 수 있다.
한편, 도 10은 터빈 노즐 지지 장치(7)를 축방향 수직 단면(VL)으로 분할하고, 분할한 면에 접속 플랜지(13a, 13b)와 체결 볼트(14)를 설치하는 동시에, 수직 단면(VL)으로부터 각도 60°마다 등배분으로 나누어서 더미 플랜지(15a, 15b, 15c, …)를 설치한 것이다.
이 외에, 본 변형예에서는 더미 플랜지(15a, 15b, 15c, …)에 의해, 터빈 노즐 지지 장치(7)(통체(6))의 전체 단면 형상이 통체(6)의 축에 대하여 축대칭이 되는 위치에 적당하게 더미 플랜지(15a, 15b, 15c, …)를 설치하는 구성으로 할 수 있다.
이러한 변형예에서도, 상기한 실시 태양과 동등한 효과를 달성할 수 있다. 또한, 본 발명은 상기의 실시 태양으로 한정될 수 없고, 본 발명의 정신을 일탈하지 않는 한 다른 실시 태양, 또한 그 변형예도 가능한 것임은 말할 필요도 없다.

Claims (10)

  1. 터빈 케이싱과,
    터빈 케이싱 내에 설치된 터빈 로터와,
    상기 터빈 로터의 주(周) 방향으로 식설(植設)된 터빈 가동 블레이드와 해당 터빈 가동 블레이드의 상류측에 쌍을 이루어 배설된 터빈 노즐로 이루어지는 터빈 단락 복수 단(段)과,
    상기 터빈 케이싱과 거의 동심(同心)으로 형성되는 동시에, 복수의 상기 터빈 단락에 배설된 터빈 노즐을 내부의 축방향으로 결합 고정하여 유지하는 통체(筒體)와,
    상기 터빈 케이싱에 그 외주부가 고정되는 동시에 그 내주부에는 상기 통체의 외주부가 고정되는 고정용 격리판을 갖는 증기 터빈의 터빈 노즐 지지 장치로서,
    상기 고정용 격리판은 이 격리판을 경계로 한 상류측과 하류측의 분위기를 차단하는 동시에 그 설치 위치를 상기 통체의 축방향 중앙보다도 하류측에 설치한 것을 특징으로 하는 터빈 노즐 지지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 통체는 그 축방향에 따라 2 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 노즐 지지 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 통체는 그 축방향에 따라 2 분할되고, 서로 대향하는 분할면에는 접속 플랜지가 각각 설치되는 동시에 그것들의 접속 플랜지는 서로 체결 볼트에 의해 체결되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 노즐 지지 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 통체에는 분할면에 설치한 접속 플랜지에 부가하여, 그 외주부에 볼록 형상의 더미 플랜지를 설치한 것을 특징으로 하는 터빈 노즐 지지 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 볼록 형상의 더미 플랜지는 이 통체에 설치된 2개의 접속 플랜지 사이에 균등하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 노즐 지지 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 볼록 형상의 더미 플랜지는 이 통체에 설치된 2개의 접속 플랜지 사이의 45°위치에 균등하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 노즐 지지 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 볼록 형상의 더미 플랜지는 이 통체에 설치된 2개의 접속 플랜지 사이 의 60°위치에 균등하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 노즐 지지 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 더미 플랜지는 상기 접속 플랜지와 거의 동일한 형상인 것을 특징으로 하는 터빈 노즐 지지 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 통체는 해당 통체의 축에 대칭한 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 터빈 노즐 지지 장치.
  10. 터빈 케이싱과,
    터빈 케이싱 내에 설치된 터빈 로터와,
    상기 터빈 로터의 주(周) 방향으로 식설(植設)되는 터빈 가동 블레이드와 해당 터빈 가동 블레이드의 상류측에 쌍을 이루어 배설된 터빈 노즐로 이루어지는 터빈 단락 복수 단(段)과,
    상기 터빈 케이싱과 거의 동심(同心)으로 형성되는 동시에 복수의 상기 터빈 단락에 배설된 터빈 노즐을 내부의 축방향으로 결합 고정하여 유지하는 통체(筒體)와,
    상기 터빈 케이싱에 그 외주부가 고정되는 동시에 그 내주부에는 상기 통체의 외주부가 고정되는 고정용 격리판을 갖고,
    상기 고정용 격리판은 이 격리판을 경계로 한 상류측과 하류측의 분위기를 차단하는 동시에 그 설치 위치를 상기 통체의 축방향 중앙보다도 하류측에 설치한 것을 특징으로 하는 증기 터빈.
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