KR20100054804A - 증기 터빈 스테이지 - Google Patents

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KR20100054804A
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steam turbine
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inner ring
longitudinal axis
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마우로 마끼오'
스테파노 세츠히
프란체스코 마라바시
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안살도 에너지아 에스.피.에이
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Abstract

길이 방향 축(A)을 따라 연장된 로터(rotor)(2)를 가지는 증기 터빈(1)의 스테이지(stage)로서, 고정 스테이지(8)와, 상기 길이 방향 축(A)에 대체로 평행한 방향(D)으로 증기를 공급하는 흐름 통로(flow channel)(4)를 따라 연속적으로(successively) 배열된 이동 스테이지(9)를 구비하고; 상기 고정 스테이지(8)는 상기 길이 방향 축(A)과 동축(coaxial)인 내측 링(20)과, 상기 내측 링(20)의 둘레에 방사상으로(radially) 배열된 다수의 고정 날개(stator blade)들을 구비하며; 각각의 고정 날개(22)는 상기 내측 링(20)의 고리형 상부(annular top portion)(27)에 고정되는데, 상기 고리형 상부(27)는 상기 흐름 통로(4)에 대면하면서 상기 길이 방향 축(A)에 엇갈리는 상부 표면(30)을 가지며; 상기 이동 스테이지(9)는 상기 로터(2)의 둘레에 배열되며 상기 로터(2)에 고정된 다수의 회전 날개(rotor blade)(15)들을 구비한다.

Description

증기 터빈 스테이지 {STEAM TURBINE STAGE}
본 발명은 증기 터빈 스테이지에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 증기 터빈의 최종 스테이지에 관한 것이다.
터빈의 알려진 한 형태는 길이 방향 축을 따라 연장된 로터와; 고정 스테이지와 이동 스테이지를 각각 구비하는 다수의 스테이지들을 구비한다. 상기한 고정 스테이지는 고정된 내측 링; 고정된 외측 링; 및 상기 내측 링과 외측 링 사이에 방사상으로(radially) 배열되며 일단에서 상기 내측 링에, 타단에서 상기 외측 링에 고정되는 다수의 이른바 고정 날개(stator blade)들을 구비한다. 상기 이동 스테이지는 상기 로터의 둘레에 방사상으로 배열되며, 흔히 기단(base end)이라 일컬어지는 것에 의해서만 상기 로터에 고정되는 다수의 이른바 회전 날개(rotor blade)들을 구비한다.
최근에는 고효율, 저비용의 기계를 얻을 수 있는 증기 터빈에 대한 시장의 요구가 점차 증대되고 있다. 더 구체적으로, 터빈 배기 섹션(turbine exhaust section), 말하자면, 상기 터빈의 최종 스테이지에서의 섹션의 크기가 커지는 경향이 있으며, 이로 인하여, 상술한 바 있는 형태의 터빈에서, 최종 스테이지는 지나치게 긴 고정 날개들과, 날개 축(blade axis)을 따라 뚜렷하게 비틀린 형상(marked twist)을 가지는 지나치게 긴 회전 날개들을 구비하고 있다. 이러한 비틀림(twist)은, 특히, 그의 기단에 대한 각 날개의 타단에서 높은 압력 하중과 증기 흐름 속도의 큰 변화에도 견딜 수 있게 한다.
그러나 상기한 회전 날개에서의 뚜렷한 비틀린 형상은 제작이 어렵고, 회전 날개를 따라 압력 손실을 최소화하기 위해 설계자의 상당한 노력을 필요로 한다.
더욱이, 기단에 대한 회전 날개의 타단에서 증기 흐름 속도, 특히, 탄젠트 성분(tangential component)의 큰 변화는 회전 날개의 전단(leading edge)에서의 응결(condesation dripping)에 의해 초래되는 침식(slow erosion)으로 인해 회전 날개의 표면을 심각한 손상에 노출시키게 된다.
본 발명은 알려진 기술의 상술한 바 있는 단점들을 해소하기 위해 설계된 증기 터빈 스테이지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 더 구체적으로, 회전 날개에서의 흐름 속도의 탄젠트 성분의 변화를 감소시키고, 동시에 저렴하면서 제작이 용이한 증기 터빈 스테이지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 청구항 1항에 기재된 바와 같이, 증기 터빈 스테이지가 개시된다.
첨부의 도면들을 참조한 예시를 통해, 본 발명을 한정하지는 않는, 실시 예를 설명하기로 한다.
도 1은 명료한 도시를 위해 일부분이 생략된 상태로 증기 터빈을 나타내는 단면도;
도 2는 명료한 도시를 위해 일부분이 생략된 상태로 본 발명에 따른 증기 터빈 스테이지를 나타내는 측단면도;
도 3은 명료한 도시를 위해 일부분이 생략된 상태로 도 2에 도시된 스테이지를 상세하게 나타내는 측단면도;
도 4는 명료한 도시를 위해 일부분이 생략된 상태로 도 2에 도시된 스테이지를 상세하게 나타내는 분리 사시도.
도 1의 참조번호 '1'은 길이 방향 축(A)을 따라 연장되는 증기 터빈을 지시하는 것으로서, 상기 증기 터빈(1)은 상기 축(A)을 중심으로 회전하는 로터(2); 상기 길이 방향 축(A)에 대체로 평행한 방향(D)으로의 증기 흐름을 위한 흐름 통로(flow channel)(4); 및 상기 흐름 통로(4)를 따라 연속적으로 배열된 다수의 스테이지(5)들을 구비한다. 더 구체적으로, 첨부된 도면에 도시되고 있는 실시 예로서의 상기 증기 터빈(1)은 저압 증기 터빈(low pressure steam turbine)이다.
도 2의 참조번호 '6'은 상기 증기 터빈(1)의 최종 스테이지를 지시하는 것으로서, 상기 터빈(1)의 스테이지(5)들 중 어느 하나로 간주된다.
상기 스테이지(6)는 상기 방향(D)의 흐름 통로(4)를 따라 연속적으로 배열된 고정 스테이지(8)와 이동 스테이지(9)를 구비한다.
상기 이동 스테이지(9)는 상기 로터(2)의 둘레에 방사상으로 배열된 다수의 회전 날개(rotor blade)(15)들을 구비한다.
각각의 회전 날개(15)는 상기 로터(2)에 고정되는 기단(base)(16); 및 상기 기단(16)에 대향되는 자유단(free end)(17)을 구비한다. 더 구체적으로, 상기 로터(2)는 상기 흐름 통로(4)에 대면함과 아울러 상기 회전 날개(15)들이 고정되는 고리형 회전 표면(annular rotor surface)(18)을 구비한다.
실제 사용에 있어서, 상기 회전 날개(15)들은 상기 축(A)을 중심으로 회전하는 로터(2)에 의해 구동된다.
상기 고정 스테이지(8)는 상기 길이 방향 축(A)과 동축인 내측 링(20)과 외측 링(21); 및 상기 내측 링(20)과 외측 링(21) 사이에서 방사상으로 배열되는 다수의 고정 날개(22)들을 구비한다.
도 3을 더 참조하면, 상기 내측 링(20)은 상기 고정 날개(22)들이 고정되는 고리형 상부(annular top portion)(27); 및 고리부(annular portion)(28)를 구비한다.
상기 고리형 상부(27)는 상기 증기 흐름 통로(4)에 대면하는 상부 표면(top surface)(30)을 구비하고; 상기 고리부(28) 또한 상기 흐름 통로(4)에 대면하는 표면(31)을 구비한다. 더 구체적으로, 상기 상부 표면(30)은 상기 고정 날개(22)의 내측에 형성되는 응결된 물방울(condensation)을 처리하기 위한 구멍(33)들을 구비하고, 대체로 상기 증기 흐름 방향(D)을 따라 점차 감소하는 반지름 RA- 상기 길이 방향 축(A)로부터의 거리를 의미함-을 가진다. 더 구체적으로, 상기 상부 표면(30)의 최소 반지름 RM은 상기 고리형 회전 표면(18)의 일정한 반지름 RR과 대체로 동일하며, 상기 상부 표면(30)은 볼록한 형상을 가지도록 중간 부분이 돌출됨(convex)이 바람직하다.
상기 표면(31)은 상기 증기 흐름 방향(D)을 따라 반지름 RE가 점차 증가되는 단부 영역(end area)(34); 및 상기 단부 영역(34)과 상부 표면(30) 사이에 위치되며, 상기 증기 흐름 방향(D)을 따라 반지름 RC가 일정한 중앙 영역(central area)(35)을 구비한다.
상기 내측 링(20)과 외측 링(21)은 중공 형태(hollow)임이 바람직하며, 각각은 두 개의 반 링(half-ring)(미도시)들을 구비하는데, 상기 반 링들은 상기 로터(2)를 삽입하기 위해 분리될 수 있으며, 공기역학적 하중에 효과적으로 견딜수 있는 견고한 박스 형태(strong box form)를 획득하기 위해 적절한 형상의 금속 시트(metal sheet)들을 결합함으로써 형성된다.
더 구체적으로, 상기 상부 표면(30)의 형상은 상기 관통 홀(33)들을 가지는 단일 금속 벽(single metal wall)을 적절하게 작업하여 얻어질 수 있다.
도 4를 참조하면, 각각의 고정 날개(22)는 상기 상부(27)에 고정되는 제1 단(first end) 또는 허브(hub)(37); 상기 제1 단(37)에 대향되며, 도 2의 외측 링(21)에 고정되는 제2 단(second end) 또는 팁(tip)(38); 전단(leading edge)(40); 상기 전단에 대향하는 후단(trailing edge)(41); 및 상기 전단(40)과 후단(41) 사이에서 연장되는 흡입측(suction side) 또는 상측(topside)(42)과 압력측(pressure side) 또는 하측(underside)(43)을 구비한다.
각각의 고정 날개(22)는 두 개의 적절한 형상의 금속 시트(metal sheet)들을 상기 전단(40)과 후단(41)에 인접한 단부에서 용접하여 만들어진 중공형 몸체이다.
각 고정 날개(22)의 상기 허브(37)는 상기 상부 표면(30)에 상응하는 형상을 가지고 있다. 아울러, 상기 허브(37)와 상부 표면(30)의 형상은 각 고정 날개(22)의 허브(37)에 가해지는 공기역학적 하중과 각 고정 날개(22)의 마하수(Mach number), 말하자면, 동일 지점에서 측정된 음속에 대한 국부적인 증기 속도(local steam speed)의 비율을 감소시킨다.
상기 길이 방향 축(A)과 상기 고정 날개(22)를 지나는 평면에서, 각 고정 날개(22)의 후단(41)의 제1 돌출부(first projection)는 곡선을 이루고 있다. 더 구체적으로, 상기 제1 돌출부는 상기 흐름 방향(D)의 반대 방향에서는 오목한 형상이다.
상기 제1 돌출부는 '스윕(sweep)'이라 알려져 있으며; 상기 스윕의 굽은 정도(degree of curvature)는 주로 다음과 같은 범위의 인자(dimensional factor)들에 의존한다: 상기 내측 링(20)과 로터(2) 사이의 기하학적 간섭; 상기 고정 날개(22)와 이동 날개(movable blade)(15) 사이 거리의 최소화; 및 상기 외측 링(21)에 대한 상기 팁(38)의 필수적인 직각(compulsory right-angle).
도시된 예에서, 상기 스윕은 6차 곡선(sixth-order curve)이다.
상기 스윕은 상기 고정 날개(22)의 용량(capacity)을 증가시키고, 따라서, 상기 스윕을 일부분으로 하는 스테이지(6)의 용량을 증가시킨다. 여기서, 상기 용량은 주어진 환경 조건에서 상기 스테이지(6)의 상류와 하류에 배치될 수 있는 증기의 양을 의미하는 것으로 의도된다.
상기 스윕은 또한 각 고정 날개(22)의 마하수를 허브(37)에서는 감소시키고 팁(38)에서는 증가되도록 달라지게 한다. 상기 고정 날개(22)에 가해지는 하중은 마하수가 감소된 위치에서 더 작아지고, 앞서 언급한 것에 비교하여 마하수가 증가되는 위치에서는 더 커진다.
또한, 공기역학적 하중 분포의 변화는 상기한 방향(D)에 대한 상기 고정 날개(22)의 증기 배출흐름 각도 변화에 기초하여 결정될 수 있다. 앞서 언급한 경우에서, 배출흐름 각도가 기준 각도에 대하여 상기 허브(37)에서 감소되고, 상기 팁(38)에서 증가되어, 상술한 바와 같이, 상기 고정 날개(22)에 가해지는 하중은 상기 허브(37)에서 보다는 상기 팁(38)에서 더 커지게 된다. 또한, 이러한 상기 고정 날개(22)들의 공기역학적 설계는 각 회전 날개(15)의 기단(16)에서의 흡입흐름 각도를 줄이고, 반면에 상기 자유단(17)에서의 흐름 각도는 실질적으로 변화되지 않게 유지한다. 설계 단계에서, 상기 회전 날개(15)의 흡입흐름 각도의 변화는 비틀리는 형태로 감소하는 것으로 나타나는데, 다시 말해서, 상기 기단(16)으로부터 자유단(17)까지 상기 회전 날개(15)가 그의 축을 중심으로 비틀어지면서 연장된다.
상기 길이 방향 축(A)에 수직인 평면에서, 각 고정 날개(22)의 후단(41)의 제2 돌출부는 곡선을 이루고 있다. 더 구체적으로, 상기 후단(41)의 제2 돌출부는 상기 로터(2)의 회전 방향에 대하여 오목한 형상이다.
상기 제2 돌출부는 '린(lean)'이라 알려져 있으며; 굽은 정도(degree of curvature)는 상기 고정 날개(22)의 길이가 지나치게 증가하거나 상기 팁(38)에 집중되는 하중이 균일하지 못한 것을 회피할 수 있을 정도로 제한된다.
도시된 예에서, 상기 린은 3차 곡선(third-order curve)이다.
상기 린은 각 고정 날개(22)의 허브(37)에서는 마하수를 줄이고, 상기 팁(38)에서의 마하수는 약간(slightly) 증가시킴으로써, 상기 스윕보다는 더 국부적인 효과를 가진다.
또한, 도 3을 참조하면, 각 고정 날개(22)는 상기 후단(41)과 팁(38)에 인접하는 양 압력측(43) 상의 등고선(isobar)을 따라 형성된 다수의 슬롯(45)들을 구비한다. 더 구체적으로, 상기 슬롯(45)들은 대략 7개이고, 상기 팁(38)으로부터 상기 고정 날개(22) 높이의 대략 40%까지 연장되며, 증기가 상기 최종 스테이지(6)을 통과하여 흐름에 따라 상기 고정 날개(22)의 표면에 형성되는 응결 물방울들을 수집하게 된다. 실제 사용에 있어서는, 상기 슬롯(45)들을 통과한 응결 물방울들이 상기 내측 링(20)의 상기 구멍(33)들을 통과해 파이프(미도시)를 따라 복수기(condenser)(미도시)로 공급된다.
본 발명은 다음과 같은 이점을 가지고 있다.
특히, 상술한 바와 같이 상기 스테이지(6)은 그 자체의 공기역학적 손실을 감소시킨다.
각 고정 날개(22)의 허브(37)에서의 하중 감소는 직접적으로 각 회전 날개(15)의 기단(16)에서 하중을 증가시키는 결과를 초래한다. 이는 상기 허브(37)와 기단(16)에서 상기 스테이지의 반응도(degree of reaction)를 증가시키게 된다. 여기서 '반응'이라 함은 상기 스테이지(6)의 전체 엔탈피 증가량에 대한 상기 회전 날개(15)의 전체 엔탈피 증가량의 비율을 의미하는 것이다. 상기 각 날개들에 미치는 국부적인 영향을 동반하는 반응에 미치는 영향은 상기 스테이지(6)의 효율을 증가시키게 된다(전체 엔탈피 증가량에 대한 상기 스테이지의 전체 엔탈피 증가량의 비율은 상기 스테이지의 흡입구와 배출구 사이에서는 등엔트로피 변환으로 간주 된다).
각 회전 날개(15)의 기단(16)에서의 하중 증가는 상기 회전 날개(15)들의 비틀림을 감소시킬 수 있게 하며, 따라서 설계와 제작을 용이하게 한다.
이하의 청구항들의 범위를 벗어나지 않는 한 상술한 스테이지를 다양하게 변경할 수 있음은 자명하다.

Claims (20)

  1. 길이 방향 축(A)을 따라 연장된 로터(rotor)(2)를 구비하고,
    증기 터빈의 스테이지(5; 6)는 고정 스테이지(8)와, 상기 길이 방향 축(A)에 대체로 평행한 방향(D)으로 증기를 공급하기 위해 흐름 통로(4)를 따라 연속적으로 배열된 이동 스테이지(9)를 구비하고;
    상기 고정 스테이지(8)는 상기 길이 방향 축(A)와 동축인 내측 링(20)과, 상기 내측 링(20)의 둘레에 방사상으로 배열된 다수의 고정 날개(22)들을 구비하고, 각각의 고정 날개(22)는 상기 내측 링(20)의 고리형 상부(annular top portion)(27)에 고정되고, 상기 고리형 상부(27)는 상기 흐름 통로(4)에 대면하는 상부 표면(30)을 구비하며;
    상기 이동 스테이지(9)는 상기 로터(2)의 둘레에 방사상으로 배열되며 상기 로터(2)의 일단(6)에 고정되는 다수의 회전 날개(15)들을 구비하는 증기 터빈의 스테이지에 있어서,
    상기 고리형 상부(27)의 상기 상부 표면(30)이 상기 길이 방향 축(A)에 교차형(crosswise)으로 구성됨을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  2. 제1 항에 있어서, 상기 로터(2)는 상기 흐름 통로(4)에 대면하는 고리형 회전 표면(annular rotor surface)(18)을 구비하고; 상기 상부 표면(30)은 상기 고리형 회전 표면(18)으로 수렴함을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 상부 표면(30)의 반지름(RA)은 상기 흐름 방향(D)을 따라 점차 감소됨을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  4. 제2 항 또는 제2 항을 인용하는 제3 항에 있어서, 상기 상부 표면(30)의 최소 반지름(RM)은 상기 고리형 회전 표면(18)의 반지름(RR)과 같고, 상기 고리형 회전 표면(18)의 반지름(RR)은 상기 흐름 방향(D)을 따라 일정함을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부 표면(30)은 볼록함을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내측 링(20)은 중공형(hollow)임을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내측 링(20)은 상기 상부 표면(30)의 형상으로 성형된(shaped) 금속 벽(metal wall)을 구비함을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  8. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내측 링(20)은 서로 연결되는 두 개의 반 링(half-ring)들을 구비함을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  9. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내측 링(20)은 상기 흐름 방향(D)에서 상기 고리형 상부(27)로부터의 상류에서 상기 고리형 상부(27)에 인접하는 고리부(28)를 포함하고; 상기 고리부(28)는 상기 흐름 통로(4)에 대면하는 표면(31)을 가지며; 상기 고리부의 상기 표면(31)은 상기 흐름 방향(D)에서 반지름(RE)이 점차 증가되는 단부 영역(end area)(34)을 구비함을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  10. 제9 항에 있어서, 상기 고리부의 상기 표면(31)은, 상기 단부 영역(34)과 상부 표면(30) 사이에 위치되며 상기 증기 흐름 방향(D)을 따라 반지름(RC)이 일정한 중앙 영역(central area)(35)을 구비함을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  11. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 고정 날개(22)는 상기 내측 링(20)의 상기 고리형 상부(27)에 연결 가능한 제1 단(first end)(37)을 구비하고; 대체로 상기 상부 표면(30)에 상응하는 형상을 가짐을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  12. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 고정 날개(22)는 상기 길이 방향 축(A)에 동축인 상기 고정 스테이지(8)의 외측 링(21)에 연결되는 제2 단(38)을 구비하고; 각각의 고정 날개(22)는 전단(leading edge)(40); 상기 전단(40)에 대향하면서 상기 흐름 방향(D)에서 상기 전단(40)의 하류에 위치된 후단(trailing edge)(41); 흡입측(suction side)(42); 및 압력측(pressure side)(43)을 구비하고, 상기 흡입측(42)과 압력측(43)은 상기 전단(40)과 후단(41) 사이에서 연장됨을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  13. 제12 항에 있어서, 상기 길이 방향 축(A)과 고정 날개(22)를 지나는 평면에서, 각 고정 날개(22)의 상기 후단(41)의 제1 돌출부는 곡선을 이룸을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  14. 제13 항에 있어서, 상기 후단(41)의 상기 제1 돌출부는 상기 흐름 방향(D)의 반대 방향에서는 오목한 형상임을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  15. 제12 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 길이 방향 축(A)에 수직인 평면에서, 각 고정 날개(22)의 상기 후단(41)의 제2 돌출부는 곡선을 이룸을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  16. 제15 항에 있어서, 상기 후단(41)의 제2 돌출부는 상기 로터(2)의 회전 방향에 대하여 오목한 형상임을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  17. 제13 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 돌출부는 6차 곡선임을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  18. 제15 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 돌출부는 3차 곡선임을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  19. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스테이지(5; 6)는 상기 증기 터빈(1)의 최종 스테이지(6)임을 특징으로 하는 증기 터빈(1)의 스테이지(5; 6).
  20. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항의 스테이지(5; 6)를 구비함을 특징으로 하는 저압 증기 터빈.
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