KR20080027154A - 증기 터빈의 작동을 제어하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

증기 터빈의 작동을 제어하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 증기 터빈(10)이 제공된다. 상기 증기 터빈(10)은 로터와 상기 로터에 연결되는 복수의 버킷 스테이지(46)를 포함하며, 상기 버킷 스테이지 각각은 로터에 연결되는 원주 방향으로 이격된 복수의 버킷을 포함하고, 버킷 각각은 기저부와 선단부(72)를 포함한다. 증기 터빈(10)은 로터와 버킷 스테이지를 둘러싸는 다이어프램 조립체(50), 및 로터와 다이어프램 조립체 주변에 배치되는 외측 케이싱(22)을 더 포함한다. 다이어프램 조립체는 버킷 스테이지와 원주 방향으로 연장하는 홈부(54) 사이에 위치되는 복수의 노즐 스테이지(44)를 포함하고, 상기 홈부는 버킷 스테이지 중 하나의 상류이자, 버킷 스테이지와 인접한 노즐 스테이지 사이에 위치된다. 다이어프램 조립체는 원주 방향으로 연장하는 추출 챔버(56) 및 홈부로부터 추출 챔버로 연장하는 적어도 하나의 보어(58)를 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 제 1 보어는 홈부와 추출 챔버 사이의 유체 연통을 제공한다. 다이어프램 조립체는 추출 챔버로부터 다이어프램 조립체의 외측면(62)을 통해 연장하는 적어도 하나의 제 2 보어(60)로서, 다이어프램 조립체의 외측면과 외측 케이싱 사이의 영역과 추출 챔버 사이의 유체 연통을 제공하는 적어도 하나의 제 2 보어를 더 포함한다.

Description

증기 터빈의 작동을 제어하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING THE OPERATION OF A STEAM TURBINE}
본 발명은 일반적으로 증기 터빈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 저 유동 버킷 선단 냉각 및 수분 제거를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
공지된 증기 터빈에 있어서, 저 유동 상태(저 VAN)는 때때로 시동시 및 고 배압 작동중에 발생한다. 증기 터빈의 최종 스테이지(L-0 스테이지)에서의 유동 구조는 저 VAN 작동 중에 현저하게 변화된다. 이러한 변화는 버킷 상에 작용하는 원심력에 의한 것으로, 이러한 원심력은 증기를 상방으로 보낼 수 있고, 메인 증기 유동과 함께 선단 및 말단 재순환 영역을 생성할 수 있다. 버킷 말단 영역에 있어서, 유동은 후방 방향이며, 냉각 및 습 증기를 응축기로부터 증기 경로로 이동시킨다. 선단(외측 유동 경로)에서, 증기 재순환은 "유극(windage)"으로 인해 버킷 선단부 상에 현저한 열 충격을 제공한다. 저 유동, 고속 작동중에, 버킷 선단 근방의 유동은 포착(trap)될 수 있으며, 이어서 증기는 포착된 증기 상의 버킷 선단 거동 일로 인해 가열된다. 이러한 "유극" 가열은 주로 시동 저 VAN 상태하에서 발생한다.
저 VAN 작동은 고 배압의 결과이며, 또한 이러한 영역 내의 유동은 L-0 버킷 동적 응력 증가를 야기하는 유동 불안정성(부동성) 및 압력 파동에 종속될 수 있다. 정상 작동시에, 수분은 L-0 노즐 외측 측벽에 축적될 수 있다. 이러한 수분의 제거는 최종 스테이지 버킷(LSB) 부식을 줄일 수 있다.
전술된 저 VAN 상태는 최종 스테이지 버킷 상에 유해한 효과를 가져올 수 있다. 버킷 선단 영역의 가열은 버킷 수명 및 신뢰성을 감소시킬 수 있다. 또한, 이는 혼성 버킷 구성(외측 버킷 영역 내에 중합체 충전재)을 사용하는 능력을 감소시킬 수 있다. 또한, 저 VAN 상태로부터의 불안정성은 버킷 신뢰성에 영향을 미칠 수 있는 압력 파동을 야기할 수 있다. 추가로, 최종 스테이지에 있어서의 과도한 수분은 때때로 상이한 위치에서, 최종 스테이지 노즐의 외측 측벽 상에 축적되며, 이는 노즐의 부식을 야기할 수 있다.
일측면에서, 로터 및 상기 로터에 연결된 복수의 버킷 스테이지를 포함하는 증기 터빈이 제공된다. 각각의 버킷 스테이지는, 로터에 연결되고 원주 방향으로 이격된 복수의 버킷을 포함하고, 각각의 버킷은 기단부 및 선단부를 구비한다. 또한, 증기 터빈은 로터와 버킷 스테이지를 둘러싸는 다이어프램 조립체와, 상기 로터 및 다이어프램 조립체 주변에 배치되는 외측 케이싱을 포함한다. 다이어프램 조립체는 버킷 스테이지 사이에 위치되는 복수의 노즐 스테이지와, 원주방향으로 연장하는 홈부로서, 버킷 스테이지 중 하나의 상부 및 버킷 스테이지와 인접한 노즐 스테이지 사이에 위치되는, 상기 홈부와, 원주 방향으로 연장하는 추출 챔버와, 홈부로부터 추출 챔버까지 연장하는 적어도 하나의 제 1 보어를 포함한다. 상기 적어도 하나의 제 1 보어는 홈부와 추출 챔버 사이의 유체 연통을 제공한다. 또한, 다이어프램 조립체는, 추출 챔버로부터 다이어프램 조립체의 외측면을 통해 연장하고 다이어프램 조립체의 외측면과 외측 케이싱 사이의 영역과 추출 챔버 사이의 유체 연통을 제공하는 적어도 하나의 제 2 보어를 포함한다.
다른 측면에서, 증기 터빈용 다이어프램 조립체가 제공된다. 증기 터빈은 로터 및 상기 로터에 연결되는 복수의 버킷 스테이지를 포함한다. 다이어프램 조립체는 버킷 스테이지 사이에 위치되도록 구성되는 복수의 노즐 스테이지와, 원주 방향으로 연장하는 홈부로서, 버킷 스테이지 근방에 위치되는 노즐 스테이지와 버킷 스테이지 사이에 위치되는, 상기 홈부와, 원주 방향으로 연장하는 추출 챔버와, 홈부로부터 추출 챔버로 연장하는 적어도 하나의 제 1 보어를 포함한다. 상기 적어도 하나의 제 1 보어는 홈부와 추출 챔버 사이의 유체 연통을 제공한다. 또한, 다이어프램 조립체는 추출 챔버로부터 다이어프램 조립체의 외측면을 통해 연장하는 적어도 하나의 제 2 보어를 포함한다. 상기 적어도 하나의 제 2 보어는 다이어프램 조립체의 외측 영역과 추출 챔버 사이의 유체 연통을 제공한다.
또 다른 측면에서, 증기 터빈의 작동을 제어하는 방법이 제공된다. 증기 터빈은 로터와, 상기 로터에 연결된 복수의 버킷과, 로터 주위에 배치되는 외측 케이싱을 포함한다. 각각의 버킷 스테이지는 로터에 연결되는 원주 방향으로 이격된 복수의 버킷을 포함하며, 각각의 버킷은 기단부와 선단부를 구비한다. 상기 방법은 로터와 버킷 스테이지를 둘러싸는 다이어프램 조립체를 제공하는 단계를 포함한다. 다이어프램 조립체는 버킷 스테이지 사이에 위치되는 복수의 노즐 스테이지와, 원주 방향으로 연장하는 홈부로서, 버킷 스테이지 중 하나의 상류 및 버킷 스테이지와 인접한 노즐 스테이지 사이에 위치되는, 상기 홈부와, 원주 방향으로 연장하는 추출 챔버와, 홈부로부터 추출 챔버로 연장하는 적어도 하나의 제 1 보어를 포함한다. 상기 적어도 하나의 제 1 보어는 홈부와 추출 챔버 사이의 유체 연통을 제공한다. 또한, 다이어프램 조립체는 추출 챔버로부터 다이어프램 조립체의 외측면을 통해 연장하는 적어도 하나의 제 2 보어를 포함하며, 상기 적어도 하나의 제 2 보어는 외측 케이싱과 다이어프램 조립체의 외측면 사이의 영역과, 추출 챔버 사이의 유체 연통을 제공한다.
원주 방향으로 연장하는 홈부, 추출 챔버, 상기 홈부와 추출 챔버를 연결하는 적어도 하나의 보어 및 상기 추출 챔버를 상기 터빈의 외측 케이싱과 다이어프램 사이의 영역과 연결하는 적어도 하나의 보어를 포함하는 증기 터빈용 다이어프램이 이하 상세하게 설명된다. 상기 다이어프램은 냉각 증기가 최종 스테이지 버킷의 선단 재순환 영역 내로 전달되도록 하여, 시동 작동 동안 "유극(windage)" 가열 상태를 감소하게 된다. 또한, 고 배압 작동 동안, 상기 다이어프램은 증기를 선외 영역에 허용하여 선단 재순환 영역으로부터 소개함으로써, 최종 스테이지 버킷 동적 응력을 감소시키기 위해 상기 선단부 근방의 유동 불안정성을 감소시킨다. 또한, 정상 상태 작동 동안, 다이어프램은 최종 스테이지 버킷으로부터의 수분 제거를 허용하여 최종 스테이지 버킷의 부식을 감소시킬 수 있다.
도면을 참조하면, 도 1은 예시적인 대향-유동, 저압(LP) 증기 터빈(10)의 개략도이다. 터빈(10)은 제 1 및 제 2 저압부(12, 14)를 포함한다. 당해 기술분야에 공지된 바와 같이, 터빈부(12, 14) 각각은 복수 스테이지의 노즐 및 버킷(도 1에 도시되지 않음)을 포함한다. 로터축(16)은 터빈부(12, 14)를 통해 연장한다. 각각의 LP부(12, 14)는 각각 입력 노즐(18, 20)을 포함한다. 단일 외측 셀 또는 케이싱(22)은 수평면을 따라, 그리고 축선 방향으로 각각 상부 및 하부 절반부(24, 26)로 분리되며, 양 LP부(12, 14)에 걸친다. 셀(22)의 중앙부(28)는 저압 증기 입구(30)를 포함한다. 외측 셀 또는 케이싱(22) 내에서, LP부(12, 14)는 저널 베어링(32, 34)에 의해 지지되는 단일 베어링 스팬에 배열된다. 유동 분리기(40)는 제 1 및 제 2 터빈부(12, 14) 사이에서 연장한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 증기 터빈(10)의 최종 스테이지(42)에 대한 개략 단면도이다. 스테이지(42)는 고정 노즐 스테이지(44) 및 인접한 회전 버킷 스테이지(46)를 포함한다. 노즐 스테이지(44)는 다이어프램 조립체(50)에 부착된 원주 방향으로 이격된 복수의 노즐(48)을 포함한다. 버킷 스테이지(46)는 로터축(16)에 결합된 원주 방향으로 이격된 복수의 버킷(52)을 포함한다. 다이어프램 조립체(50)는 노즐 스테이지(44) 및 버킷 스테이지(46)를 둘러싼다.
또한, 도 3을 참조하면, 다이어프램 조립체(50)는 버킷 스테이지(46)의 상류 및 버킷 스테이지(46)와 인접한 노즐 스테이지(44) 사이에 위치되는 원주 방향으로 연장하는 홈부(54), 및 원주 방향으로 연장하는 추출 챔버(56)를 포함한다. 적어도 하나의 제 1 보어(58)는 홈부(54)로부터 추출 챔버(56)로 연장한다. 제 1 보어(58)는 홈부(54)와 추출 챔버(56) 사이의 유체 연통을 제공한다. 적어도 하나의 제 2 보어(60)는 추출 챔버(56)으로부터 다이어프램 조립체(50)의 외측면을 통해 연장한다. 제 2 보어(60)는 외측 케이싱(22)(도 1에 도시되지 않음)과 다이어프램 조립체(50)의 외측면(66) 사이의 영역(64)과 추출 챔버(56) 사이의 유체 연통을 제공한다. 예시적인 실시예에서, 홈부(54)는 삽(scoop) 형상의 단면을 갖는다.
추출 챔버(56)와, 제 1 및 제 2 보어(58, 60)와의 연동으로, 홈부(54)는 최종 스테이지 버킷(52)의 선단 재순환 영역(68) 내로의 냉각 증기의 전달을 용이하게 하여, 시동 작동 동안 "유극" 가열 상태를 감소시킨다. 도 4는 다이어프램 조립체(50)와 외측 케이싱(22) 사이의 영역(64)으로부터 "유극" 가열을 감소시키기 위한 선단 재순환 영역(68)으로의 냉각 증기 유동(70)을 도시한다. 또한, 고 배압 작동 동안, 추출 챔버(56)와, 제 1 및 제 2 보어(58, 60)와의 연동으로, 홈부(54)는 선단 재순환 영역(68)으로부터의 증기의 배기를 용이하게 하여, 최종 스테이지 버킷 동적 응력을 감소시킬 수 있는 버킷(52)의 선단부(72) 근방의 유동 불안정성을 감소시키게 된다. 또한, 정상 상태 터빈 작동 동안, 추출 챔버(56)와, 제 1 및 제 2 보어(58, 60)와의 연동으로, 홈부(54)는 최종 스테이지 버킷 영역으로부터의 수분 제거를 용이하게 하여 최종 스테이지 버킷(52)의 부식을 감소시킨다. 홈부(54)의 삽 형상 단면이 다이어프램 조립체(50)로부터의 수분 제거를 강화한다고 믿어진다.
도 5에 도시된 또 다른 예시적인 실시예에서, 홈부(54)는 다이어프램 조립체(50)를 중심으로 원주 방향으로 연장하는 슬롯의 형상을 갖는다. 전술된 바와 같이, 적어도 하나의 제 1 보어(58)는 슬롯형 홈부(54)로부터 추출 챔버(56)로 연장하며, 적어도 하나의 제 2 보어(60)는 추출 챔버(56)로부터 다이어프램 조립체(50)의 외측면을 통해 연장한다.
도 6에 도시된 또 다른 예시적인 실시예에서, 홈부(54)는 외측 포켓(76)에 연결되는 슬롯부(74)를 포함하며, 여기서 외측 포켓(76)의 폭은 슬롯부(74)의 폭보다 크다. 제 1 보어(58)는 외측 포켓(76)으로부터 추출 챔버(56)로 연장하며, 제 2 보어(60)는 추출 챔버(56)로부터 다이어프램 조립체(50)의 외측면(62)을 통해 연장한다.
저 VAN 시동 상태 동안 터빈(10)의 작동에 있어서, "냉각" 증기는 다이어프램 조립체(50)와 외측 케이싱(22) 사이의 영역(64)으로부터 제 2 보어(60)를 통해 추출 챔버(56)로 유동하며, 그 후 제 1 보어(58)를 통해 홈부(54)로, 그 후에 선단 재순환 영역(68)으로 유동한다. "냉각" 증기는 저 VAN 시동 상태 동안 "유극" 가열 상태를 감소시킨다.
터빈(10)의 고 배압 작동 동안, 메인 증기 유동으로부터의 증기는 콘덴서로 배기되어 배압 상태를 완화한다. 이러한 증기는 홈부(54)로 유동하고, 제 1 보어(58)를 통해 추출 챔버(56)로 유동하며, 그 후에 제 2 보어(60)를 통해, 배기된 증기가 콘덴서로 안내되는 외측 케이싱(22)과 다이어프램 조립체(50) 사이의 영역(64)으로 유동한다.
정상 상태 작동 상태 동안, 축적된 수분은 최종 스테이지(42)로부터 콘덴서로 배기되어, 최종 스테이지(42)로부터 상기 축적된 수분을 제거한다. 상기 수분은 홈부(54)로 유동하고, 제 1 보어(58)를 통해 추출 챔버(56)로 유동하며, 그 후에 제 2 보어(60)를 통해, 상기 배기된 증기가 콘덴서로 안내되는 외측 케이싱(22)과 다이어프램 조립체(50) 사이의 영역(64)으로 유동한다.
비록, 본 발명이 다양한 특정 실시예에 대해 설명되었지만, 당업자들은 본 발명이 특허청구범위의 취지 및 범위 내의 변형예로 실행될 수 있음을 인식할 것이다.
도 1은 예시적인 대향 유동 증기 터빈에 대한 개략 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1에 도시된 증기 터빈의 최종 스테이지에 대한 개략 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 다이어프램 조립체에 대한 개략 확대도,
도 4는 냉각 증기 주입 유동 경로를 도시하는 도 3에 도시된 최종 스테이지에 대한 개략 단면도,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 1에 도시된 증기 터빈의 최종 스테이지에 대한 개략 단면도,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 1에 도시된 증기 터빈의 최종 스테이지에 대한 개략 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
16: 로터축 42: 최종 스테이지
44: 고정 노즐 스테이지 46: 회전 버킷 스테이지
48: 노즐 50: 다이어프램 조립체
52: 버킷

Claims (10)

  1. 증기 터빈(10)에 있어서,
    로터와,
    상기 로터에 결합되는 복수의 버킷 스테이지(46)로서, 상기 버킷 스테이지 각각은 상기 로터에 결합되는 원주 방향으로 이격된 복수의 버킷을 포함하며, 상기 버킷의 각각은 기저부와 선단부(72)를 포함하는, 상기 복수의 버킷 스테이지(46)와,
    상기 로터 및 상기 버킷 스테이지를 둘러싸는 다이어프램 조립체(50)와,
    상기 로터 및 다이어프램 조립체 주위에 배치되는 외측 케이싱(22)을 포함하며,
    상기 다이어프램 조립체는,
    상기 버킷 스테이지 사이에 위치되는 복수의 노즐 스테이지(44)와,
    상기 버킷 스테이지와 인접한 노즐 스테이지 사이에서 상기 버킷 스테이지 중 하나의 상류부에 위치되는 원주 방향으로 연장하는 홈부(54)와,
    원주 방향으로 연장하는 추출 챔버(56)와,
    상기 홈부로부터 상기 추출 챔버로 연장하며, 상기 홈부와 상기 추출 챔버 사이의 유체 연통을 제공하는 적어도 하나의 제 1 보어(58)와,
    상기 추출 챔버로부터 상기 다이어프램 조립체의 외측면(62)을 통해 연장하며, 상기 외측 케이싱과 상기 다이어프램 조립체의 외측면 사이의 영역과 상기 추 출 챔버 사이의 유체 연통을 제공하는 적어도 하나의 제 2 보어(60)를 포함하는
    증기 터빈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 홈부(54)는 슬롯(74)을 포함하는
    증기 터빈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 홈부(54)는 실질적으로 삽(scoop) 형상을 포함하는
    증기 터빈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 홈부(54)는 외측 포켓(76)에 연결되는 슬롯(74)을 포함하며, 상기 적어도 하나의 제 1 보어(58)는 상기 외측 포켓으로부터 상기 추출 챔버(56)로 연장하는
    증기 터빈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 홈부(54)는 최종 버킷 스테이지(46)의 상류부에 위치되는
    증기 터빈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이어프램 조립체(50)의 외측면 사이의 영역은 콘덴서와 유체 연통되는
    증기 터빈.
  7. 로터(16) 및 상기 로터에 결합되는 복수의 버킷 스테이지(46)를 포함하는 증기 터빈(10)용 다이어프램 조립체(50)에 있어서,
    상기 버킷 스테이지 사이에 위치되도록 구성되는 복수의 노즐 스테이지(44)와,
    원주 방향으로 연장하며, 하나의 버킷 스테이지와 상기 버킷 스테이지에 인접하여 위치되는 노즐 스테이지 사이에 위치되는 홈부(54)와,
    원주 방향으로 연장하는 추출 챔버(56)와,
    상기 홈부로부터 상기 추출 챔버로 연장하며, 상기 홈부와 상기 추출 챔버 사이의 유체 연통을 제공하는 적어도 하나의 제 1 보어(58)와,
    상기 추출 챔버로부터 상기 다이어프램 조립체의 외측면(62)을 통해 연장하며, 상기 추출 챔버와 상기 다이어프램 조립체의 외측면 영역 사이의 유체 연통을 제공하는 적어도 하나의 제 2 보어(60)를 포함하는
    증기 터빈용 다이어프램 조립체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 홈부(54)는 슬롯(74)을 포함하는
    증기 터빈용 다이어프램 조립체.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 홈부(54)는 실질적으로 삽 형상을 포함하는
    증기 터빈용 다이어프램 조립체.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 홈부(54)는 외측 포켓(76)에 연결되는 슬롯(74)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 제 1 보어(58)는 상기 외측 포켓으로부터 상기 추출 챔버(56)로 연장하는
    증기 터빈용 다이어프램 조립체.
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