KR20160074553A - 스팀 터빈 단의 제조 방법 - Google Patents

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마르코 그릴리
로렌조 코지
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Abstract

스팀 터빈 단(1)의 제조 방법으로서, 각각 외면(7)을 갖는 복수 개의 블레이드(6)를 갖는 섹터(2)를 형성하도록 재료 블럭을 밀링 가공하는 단계; 블레이드(6)들 중 적어도 하나의 외면(7)에 개구(8)를 기계 가공하는 단계; 및 개구(8)와 유체 연통되는 공동(9)을 기계 가공하는 단계 를 포함하고, 상기 공동(9)을 기계 가공하는 단계는 와이어컷 가공(wire electric discharge machining)에 의해 수행되는 것인 스팀 터빈 단의 제조 방법이 제공된다.

Description

스팀 터빈 단의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING A STAGE OF A STEAM TURBINE}
본 발명은 스팀 터빈 단의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 상기 방법은 중공형 블레이드를 갖는 단의 제조에 관한 것이다.
스팀 터빈에서, 스팀의 부분 응결은 스팀 터빈의 마지막 단 또는 단들에서 발생한다.
특히, 응결은 소위 "응결 단", 전형적으로 터빈의 마지막 단의 스테이터 블레이드의 에어포일 부분 상에서 발생한다.
응결로 인해 액적이 생성되면, 액적은 고정식 스테이터 블레이드를 떠나 회전식 로터 블레이드를 가격하며, 이에 따라 로터 블레이드가 손상될 수 있다.
액적에 의해 유발되는 손상을 저감하기 위해, 로터 블레이드의 회전 속도가 감소될 수 있다. 그러나, 이러한 방식에서는 터빈의 효율도 또한 감소된다.
대안으로서, 로터 블레이드에 대한 임의의 손상을 저감하기 위해, 액적 생성 이전에 응결물을 수집하는 해결책들이 존재한다.
이들 해결책 중 가장 전형적인 것은, 응결이 발생할 수 있는 중공 스테이터 블레이드를 사용하고, 블레이드의 에어포일 표면에서부터 에어포일 부분을 통과하여 내부 공동으로 연장되는 구멍 및/또는 슬롯을 마련하며, 임의의 응결물이 에어포일 표면을 떠나 내부 공동에 진입하도록 내부 공동으로부터 흡인하는 것이다. 이러한 방식으로, 액적 배출이 매우 저감될 수 있다.
이에 따라, 그러한 스팀 터빈 단의 제조 방법이 알려져 있다. 상기한 방법은 각각 개별 채널을 갖는 내측 링 및 외측 링을 기계 가공하는 단계를 포함한다. 이들 링 각각은 채널과 유체 연통하는 복수 개의 구멍을 지닌 내면을 갖는다. 복수 개의 터빈 블레이드가 제조되며, 각각의 블레이드는 개별 개구와, 이 개구를 통해 외부 환경과 유체 연통되는 중공 공동을 갖는다.
이때, 블레이드는 링에 용접된다. 상세하게는, 단일 링에 있는 각각의 구멍은 개별 블레이드의 공동과 유체 연통하도록 되어 있다.
그 결과, 조립된 단에서 응결수가 블레이드의 개구를 통해 추출될 수 있고, 이에 따라 공동으로 흘러들어간 다음 2개의 링 중 어느 하나의 링의 채널로 흘러들어간다.
전술한 종래 기술의 단점은 전술한 방법의 용접 단계에 있다. 사실상, 이 단계는 수동으로 그래고 엄격한 공차 내에서 수행되어야만 한다. 이것은 조립 시간 증가와, 결과적으로 비용 증가를 초래한다.
본 발명의 제1 양태는 이에 따라 스팀 터빈 단의 제조 방법이다. 상기 방법은 복수 개의 블레이드를 지닌 섹터를 형성하도록 재료 블럭을 밀링 가공하는 단계; 블레이드들 중 적어도 하나의 외면에 개구와, 이 개구와 유체 연통되는 공동을 기계 가공하는 단계를 포함한다. 공동을 기계 가공하는 단계는 와이어컷 가공(wire electric discharge machining)에 의해 수행된다.
이 방법의 장점은, 더 이상 블레이드를 수동으로 용접할 필요가 없기 때문에 종래 기술의 문제를 극복한다는 것이다. 사실상, 이 방법에서 기술자의 직접적인 개입은 최소로 유지된다.
본 발명의 제2 양태는 스팀 터빈 단의 조립용 섹터이다. 이 섹터는 중앙 부분 및 둘레 부분과 복수 개의 블레이드를 포함한다. 각각의 블레이드는 중앙 부분 및 둘레 부분에 부착된다. 블레이드들 중 적어도 하나는 각각의 외면 상의 개구와, 이 개구와 유체 연통되는 공동을 갖는다. 섹터는 단일 재료 블럭으로부터 기계 가공된다.
본 발명의 제3 양태는 복수 개의 상기 섹터와, 적어도 중앙 안내부 및 둘레 안내부를 포함하는 증기 터빈용 단이다. 섹터는 안내부에 대해 실링(sealing)된다.
다른 상세와 특정 실시예는 첨부 도면을 참고로 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 증기 터빈 단의 사시도이고,
도 2는 평면 B-B를 따른 도 1의 단의 단면도이며,
도 2b는 도 2의 단면도로부터의 C의 개략적인 상세도이고,
도 2c는 도 1의 단의 상세의 개략도이며,
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 증기 터빈 단의 제조 방법의 각각의 단계들의 사시도이다.
예시적인 실시예에 관한 아래의 설명은 첨부도면을 참고한다. 여러 도면에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 요소를 식별한다. 아래의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 규정된다.
명세서 전반에 걸쳐 "일실시예" 또는 "실시예"라는 언급은, 실시예와 연계하여 설명된 특정 피쳐(feature), 구조 또는 특징이 개시된 보호대상에 관한 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 이에 따라, 명세서 전반에 걸쳐 다양한 위치에서의 "일실시예에서" 또는 "실시예에서"라는 구문의 출현이 반드시 동일한 실시예를 언급하는 것은 아니다. 더욱이, 특정 피쳐, 구조 또는 특징은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
따라서, 스팀 터빈의 단은 첨부도면을 참고하여 설명될 것이고, 첨부도면에서 참조번호 1로 나타날 것이다.
단(1)은 중심축 "A"을 갖는다. 단은 중심축 "A"에 대하여 중앙 구역(1b)과 둘레 구역(1a)을 갖는다. 즉, 중앙 구역(1b)은 단(1)의 내부 부분으로 고려될 수 있는 한편, 둘레 구역(1a)은 중심축 "A"에 대하여 단(1)의 외부 부분으로서 이해될 수 있다. 터빈 내부에서의 스팀의 흐름은 실질적으로 중심축 "A"을 따라 지향된다.
단(1)에는 복수 개의 블레이드(6)가 마련된다. 각각의 블레이드(6)는 중앙 구역(1b)으로부터 둘레 구역(1a)으로 반경방향으로 돌출한다. 추가로, 각각의 블레이드(6)는 에어포일에 의해 형성되는 외면(7)을 가지며, 에어포일의 기하학적 파라메터는 고유한 어플리케이션에 따라 선택된다.
블레이드(6)들 중 적어도 하나, 바람직하게는 여러 블레이드(6) 그리고 더 바람직하게는 블레이드 전부는 외면(7) 상에 개구(8)를 갖는다. 사실상, 블레이드(6)에는 내부 구역에 위치하는 공동(9)도 또한 마련된다. 즉, 블레이드(6)는 중공형이다.
상세하게는, 공동(9)은 블레이드(6)의 반경방향 길이의 적어도 일부를 따라, 바람직하게는 블레이드(6) 전체 반경방향 길이를 따라 연장된다. 각각의 개구(8)도 이와 마찬가지로 블레이드(6)의 반경방향 길이의 적어도 일부를 따라 연장된다. 본 개시의 문맥에서 "반경방향 길이"는 반경방향을 따른, 즉 단(1)의 중심축 "A"에 수직하고 중심축으로부터 돌출하는 방향을 따른 블레이드(6)의 길이를 의미한다. 개구(8)는, 공동(9)을 블레이드(6) 외부의 체적과 유체 연통하게 하도록 구성된다.
보다 구체적으로, 블레이드(6) 내부의 공동(9)은 내면(10)을 갖는다. 내면(10)은 선직면(ruled surface)이다. 본 개시의 문맥에서, "선직면"이라는 용어는, 내부의 모든 포인트가 완전히 표면 자체 상에 놓이는 적어도 직선에 속하는 표면으로서 규정된다. 즉, 선직면은 이동하는 직선이 지나가는 포인트들의 세트로서 기술될 수 있다. 선직면의 예는 원통, 원뿔 또는 쌍곡면이다. 구는 선직면이 아니다.
도 2를 참고하면, 공동(9)은 들쭉날쭉하게 보이는데, 그 이유는 단지 도 1에 도시한 평면 B-B이 블레이드(8)에 대해 횡방향이기 때문이라는 점에 유념하기 바란다. 도 2c에 도시한 블레이드(6)의 단면을 참고하면, 이 도면에 도시된 공동(9)은 전술한 바와 같은 선직면임에 유념하기 바란다.
단(1)에는 적어도 하나의 채널(5)이 마련되는데, 채널은 단(1)의 둘레 구역(1a) 및/또는 중앙 구역(1b)에 위치할 수 있다. 다른 상세에 있어서, 채널(5)은 단(1)이 설치되는 터빈의 내부 구역과 유체 접속되도록 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 채널(5)은 블레이드(6)의 공동(9)과 유체 연통되도록 배치된다.
채널(5) 자체는 터빈 외부의 저압 구역(도시하지 않음)과 유체 접속되도록 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 터빈 내부의 스팀 흐름의 일부가 개구(8)를 통해 공동(9)으로 흡인된 다음, 채널(5)로 흡인되고, 이에 따라 블레이드(6)의 외면(7)으로부터 응결된 스팀을 제거할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 단(1)은 복수 개의 섹터(2)를 포함한다. 특히, 각각의 섹터(2)는 기하학적으로 원형 섹터, 즉 원형의 섹터, 보다 정확하게는 원형 링의 섹터이다. 각각의 섹터(2)는 전술한 복수 개의 블레이드(6)뿐만 아니라 중앙 부분(2b) 및 둘레 부분(2a)도 포함한다. 각각의 블레이드(6)는 중앙 부분(2b) 및 둘레 부분(2a)에 부착된다.
단(1)은 또한 중앙 안내부(3) 및 둘레 안내부(4)도 또한 포함한다. 더욱이, 섹터(2)는 안내부(3, 4)에 대해 실링된다. 구체적으로, 중앙 부분(2b) 및 둘레 부분(2a)은 각각의 안내부(3, 4)에 각각 부착된다.
훨씬 더 상세하게는, 2개의 부분(2a, 2b) 모두에는, 각각의 안내부(3, 4)에 끼워지는 이형 레일(11)이 마련된다.
사실상, 전술한 채널(5)은 섹터(2)와 안내부(3, 4) 사이에 형성된다. 구체적으로, 둘레 부분(2a)은 둘레 안내부(4)에 커플링되어, 외측 채널(5)을 형성한다. 중앙 부분(2b)은 중앙 안내부(3)와 커플링되어, 내측 채널(5)을 형성한다. 채널(5)을 터빈 내부의 환경으로부터 격리하기 위해, 섹터(2)와 안내부(3, 4) 사이에 적절한 채널 시일(12)이 마련된다.
도 2b에 개략적으로 도시한 이러한 채널 시일(12)은 강성 재료, 바람직하게는 금속, 보다 바람직하게는 강으로 이루어진 코어(13)를 포함한다. 채널 시일(12)은 또한 코팅(14)을 포함할 수 있다. 코팅(14)은 바람직하게는 세라믹, 복합 재료나 플라스틱 재료로 형성될 수 있다. 추가의 상세에 있어서, 이 구성에서는 코어(13)가 2개 이상의 코팅층(14)들 사이에 개재된다.
대안으로서, 채널(5)은 섹터(2)를 안내부(3, 4)에 직접 용접하는 것에 의해 기밀하게 형성될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 양자의 채널(5)을 가질 수도 있고 그렇지 않을 수도 있지만, 채널들 중 적어도 하나를 갖는다. 더욱이, 2개의 채널(5)이 존재하더라도, 이들 채널은 상시 작동 중에 사용될 수도 있고 사용되지 않을 수도 있다.
본 발명의 여러 실시예에 따르면, 각각의 섹터(2)는 단일 재료 블럭으로부터 기계 가공된다는 점에 유념하기 바란다. 즉, 각각의 섹터(2)는 단일 부재로서 구성된다. 유리하게는, 이것은, 블레이드(6)와 중앙 부분(2b) 및 둘레 부분(2a) 간의 용접이 없는 터빈의 단(1)을 구성할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 단(1)은, 각각 중심 "A"에 대하여 90°의 각진 개구를 갖는 4개의 섹터(2)를 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 단(1)은, 각각 180°의 각진 개구를 갖는 2개의 섹터(2)를 포함한다. 상이하게 각진 개구를 갖는 상이한 개수의 섹터(2)를 포함하는 다른 실시예도 가능하다.
바람직하게는, 안내부(3, 4)는 180°의 각진 개구를 갖는다. 따라서, 단(1)은 바람직하게는 2개의 중앙 안내부(3) 및 2개의 둘레 안내부(4)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은 이에 따라 섹터(2)를 형성하기 위해 재료 블럭을 기계 가공하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 다수의 섹터(2)가 기계 가공된다. 보다 바람직하게는, 기계 가공은 재료 블럭을 밀링 가공하는 것에 의해 행해진다. 훨씬 더 바람직하게는, 단(1)의 모든 섹터(2)들은 각각의 단일 재료 블럭으로부터 밀링 가공된다. 이 단계 중에, 각각의 섹터(2)의 외부 형상은 블레이드(6)를 포함하여 블레이드 각각의 외면(7)에 의해 형성된다.
그 후, 공동(9)이 블레이드(6)들 중 적어도 하나의 외면(7)에 절결된다. 구체적으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 공동(9)은 와이어컷 가공에 의해 절결된다. 이러한 이유로, 공동(9)의 결과적인 내면(10)은 선직면이다. 개구(8)는 또한 이 단계 중에 바람직하게는 다이 싱크 방전 가공(die-sink electric discharge machining)에 의해 기계 가공된다.
그 후, 둘레 안내부(4)뿐만 아니라 중앙 안내부(3)가 제작된다. 임의의 적절한 기지의 제조 기술이 채용될 수 있으며, 이에 따라 이 단계는 더 상술하지 않겠다. 바람직하게는, 안내부(3, 4)는 섹터(2)에 결합될 때에 약간 변형되도록 약간 상이한 곡률로 제작된다. 앞서 설명한 바와 같이, 이 실시예에서는 안내부(3, 4)가 180°의 각진 개구를 갖는다.
그 후, 섹터(2)가 안내부(3, 4) 내로 슬라이딩된다. 구체적으로, 2개의 섹터(2)는 도 3a에 도시한 바와 같이 중앙 안내부(3) 상에서 슬라이딩된다. 구체적으로, 각각의 섹터(2)의 중앙 부분(2b)으로부터의 이형 레일(11)이 중앙 안내부(3) 내에 삽입된다. 이 단계 중에, 완벽한 원형은 아닌 중앙 안내부(3)는 레일(11)에 의해 탄성적으로 변형된다. 이러한 방식에서, 탄성 변형은 섹터(2)와 중앙 안내부(3) 사이의 예하중으로서 작용하여, 2개의 구성요소들 사이의 원치 않는 상대 동작을 방지한다.
채널 시일(12)이 중앙 안내부(3)와 섹터(2) 사이에 존재하는 경우, 채널 시일은 이 단계 중에 설치된다.
그 후, 섹터(2)들은 함께 결합된다. 섹터들은 용접될 수도 있고, 특유의 인터 섹터 시일(inter-sector seal)(도면에 도시하지 않음)이 채용될 수도 있다. 인터 섹터 시일은 강성 재료, 바람직하게는 금속, 더 바람직하게는 강으로 이루어진 코어를 포함할 수 있다. 인터 섹터 시일은 변형 가능 재료, 바람직하게는 고무 또는 플라스틱으로 이루어진 코팅도 또한 포함할 수 있다.
그 후, 둘레 안내부(4)가 2개의 섹터(2)에 걸쳐 배치된다. 훨씬 더 상세하게는, 둘레 안내부(4)는 중앙 안내부(3)를 참고로 하여 전술한 것과 동일한 방식으로 섹터(2)에 의해 변형된다.
그 후, 섹터(2)는 안내부(3, 4)에 대해 실링된다. 채널 시일(12)이 채용되는 경우, 이 단계는 건너뛸 수 있다. 그렇지 않으면, 이 단계는 섹터(2)를 안내부(3, 4)에 용접하는 것에 의해 수행된다. 이 공정은 조작자의 직접적인 개입 없이 기계 용접에 의해 수행될 수 있다.
이러한 방식에서, 도 3c에 도시한 것과 같은 반부 단이 얻어진다. 2개의 반부 단을 결합시키는 것에 의해, 전술한 단(1)이 조립될 수 있다.
최종적으로, 전술한 단계들은 단지 설명의 용이함을 위해 순서가 정해진 것이라는 점에 유념해야만 한다. 사실상, 필요하다면 순서가 변경될 수 있으며, 예컨대 섹터(2)들은 안내부(3, 4) 내에 삽입되기 전에 결합될 수 있다. 추가로, 섹터(2)가 180°의 각진 개구를 갖고, 이에 의해 결합 단계에 대한 필요성을 회피하는 다른 실시예도 가능하다.

Claims (14)

  1. 스팀 터빈 단(1)의 제조 방법으로서,
    각각 외면(7)을 갖는 복수 개의 블레이드(6)를 갖는 섹터(2)를 형성하도록 재료 블럭을 밀링 가공하는 단계;
    상기 블레이드(6)들 중 적어도 하나의 상기 외면(7)에 개구(8)를 기계 가공하는 단계; 및
    상기 개구(8)와 유체 연통되는 공동(9)을 기계 가공하는 단계
    를 포함하고, 상기 공동(9)을 기계 가공하는 단계는 와이어컷 가공(wire electric discharge machining)에 의해 수행되는 것인 스팀 터빈 단의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 중앙 안내부(3) 및 둘레 안내부(4)를 제작하는 단계; 및 적어도 하나의 섹터(2)를 상기 안내부(3, 4) 내로 슬라이딩시키는 단계를 더 포함하는 스팀 터빈 단의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 섹터(2)를 상기 안내부(3, 4)에 대해 실링(sealing)하는 단계를 더 포함하는 스팀 터빈 단의 제조 방법.
  4. 임의의 선행항에 있어서, 상기 섹터(2)를 상기 안내부(3, 4)에 대해 실링하는 단계는 상기 섹터(2)와 상기 안내부(3, 4) 사이에 채널 시일(12)을 배치하는 것에 의해 수행되는 것인 스팀 터빈 단의 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 섹터(2)를 상기 안내부(3, 4)에 대해 실링하는 단계는 상기 섹터(2)를 상기 안내부(3, 4)에 용접하는 것에 의해 수행되는 것인 스팀 터빈 단의 제조 방법.
  6. 임의의 선행항에 있어서, 2개의 섹터(2)를 실링하는 단계를 더 포함하는 스팀 터빈 단의 제조 방법.
  7. 임의의 선행항에 있어서, 2개의 섹터(2)를 실링하는 단계는 2개의 섹터(2) 사이에 인터 섹터 시일(inter-sector seal)을 배치하는 것에 의해 수행되는 것인 스팀 터빈 단의 제조 방법.
  8. 임의의 선행항에 있어서, 상기 인터 섹터 시일은 강성 재료, 바람직하게는 금속으로 이루어진 코어(13)를 포함하는 것인 스팀 터빈 단의 제조 방법.
  9. 임의의 선행항에 있어서, 상기 인터 섹터 시일은 변형 가능 재료, 바람직하게는 고무나 플라스틱으로 이루어진 코팅(14)을 포함하는 것인 스팀 터빈 단의 제조 방법.
  10. 스팀 터빈 단(1)의 조립용 섹터(2)로서,
    중앙 부분(2b) 및 둘레 부분(2a); 및
    각각 외면(7)을 포함하고, 상기 중앙 부분(2b) 및 둘레 부분(2a)에 부착되는 복수 개의 블레이드(6)
    를 포함하고, 상기 블레이드(6)들 중 적어도 하나는 각각의 외면(7) 상의 개구와, 상기 개구(8)와 유체 연통되는 공동(9)을 가지며, 상기 섹터(2)는 단일 재료 블럭으로부터 기계 가공되는 것인 스팀 터빈 단의 조립용 섹터.
  11. 제10항에 있어서, 상기 중앙 부분(2b) 및 둘레 부분(2a)은 각각의 안내부(3, 4) 내로 각각 슬라이딩하도록 구성되는 것인 스팀 터빈 단의 조립용 섹터.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 중앙 부분(2b) 및 상기 둘레 부분(2a)에 각각 위치하는 이형 레일(11) 쌍을 더 포함하고, 상기 이형 레일(11) 각각은 각각의 안내부(3, 4)에 끼워지도록 구성되는 것인 스팀 터빈 단의 조립용 섹터.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중앙 부분(2b) 및 둘레 부분(2a)은 상기 안내부(3, 4)에 대해 시일되어 각각의 부분(2a, 2b)과 각각의 안내부(3, 4) 사이에 채널(5)을 형성하는 것인 스팀 터빈 단의 조립용 섹터.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 복수 개의 섹터(2), 적어도 중앙 안내부(3) 및 둘레 안내부(4)를 포함하는 스팀 터빈용 단(1)으로서, 상기 섹터(2)는 상기 안내부(3, 4)에 대해 실링되는 것인 스팀 터빈용 단.
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