KR20170081403A - 이압 유입 터빈 - Google Patents

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KR20170081403A
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박종후
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현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 이압 유입 터빈에 관한 것으로서, 케이싱 내부에 부분분사영역과 전체분사영역을 가지며, 상기 부분분사영역으로 고압유체가 유입되고 상기 부분분사영역과 상기 전체분사영역 사이로 저압유체가 유입되는 이압 유입 터빈 터빈에 있어서, 상기 부분분사영역의 1단으로 상기 고압유체를 공급하는 고압유체통로; 및 상기 부분분사영역의 상기 1단과 상기 전체분사영역의 2단 사이에 위치되며, 상기 케이싱에 별도의 내부유로를 형성하여 상기 2단으로 상기 저압유체를 공급하는 저압유체통로를 포함하되, 상기 고압유체통로로 공급되는 상기 고압유체는, 상기 부분분사영역의 상기 1단을 경유하여 상기 2단의 일부분으로 유입되고, 상기 저압유체통로를 통해 공급되는 저압유체는, 상기 2단의 나머지 일부분으로 유입되고, 상기 2단으로 유입된 상기 고압유체와 상기 저압유체는, 상기 전체분사영역의 3단의 입구에서 균등화된 유동으로 혼합되는 것을 특징으로 한다.

Description

이압 유입 터빈{Two-Pressure Admission Turbine}
본 발명은 이압 유입 터빈에 관한 것이다.
터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로써, 이러한 터빈에서의 부분분사란 터빈 회전수가 작은 값으로 제한되거나 유량이 작을 때 터빈의 크기를 축소하는 대신에 기존의 크기를 유지하면서 작동유체가 원주방향으로 날개의 일부분만 통과하도록 하는 방법이다.
이와 같은 방법을 사용하는 이유는 터빈의 효율 때문으로, 터빈의 효율은 여러 가지 요인에 의해 영향을 받는데, 그 중의 하나는 터빈 날개와 케이싱 사이의 틈새 간격으로 이 간격의 크기가 증가할수록 터빈의 효율은 감소하는 경향을 가진다. 상기와 같은 부분분사 방법은 통상적으로 0.1 이하의 낮은 비속도 값을 갖는 터빈의 경우에 대하여 적용한다고 알려져 있다.
부분분사(partial admission)가 이루어지는 단(stage)을 가지는 터빈의 경우, 부분분사 이후의 유체 유동이 원주방향으로 높은 불균일성과 비대칭성을 갖게 되므로, 부분분사 단을 통과하고서 전체분사영역(full admission region)으로 유체를 전달하면서 전압력 손실(total pressure loss)을 최소화하고, 원주 방향으로의 강한 불균일성을 해소할 수 있도록 하기 위한 부분분사영역과 전체분사영역 사이에 크로스-오버 채널(cross-over channel)을 두고 있다.
부분분사형 터빈 중에서, 고압의 유체가 1단 입구로 들어가면서 저압의 유체가 2단 입구로 추가로 들어가는 이압 유입터빈의 경우, 1단을 통과한 고압의 유체와 2단 입구로 들어오는 저압의 유체가 크로스-오버 채널에서 혼합이 되어 2단 노즐로 들어가게 되는데, 도 1을 참고하여 설명한다.
도 1은 크로스-오버 채널을 구비한 종래의 이압 유입 터빈의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 이압 유입 터빈(100)은, 부분분사영역(PAR)인 1단(110)과 전체분사영역(FAR)인 2단 내지 3단(120, 130) 사이에 크로스-오버 채널(140)이 구비되어 있다.
구체적으로, 1단(110)은 원주방향으로 회전날개의 일부분만 고압유체가 통과하는 부분분사영역(PAR)으로 이루어져 있다. 크로스-오버 채널(140)은 저압유체가 들어올 수 있으며, 1단(110)을 통해 들어온 고압유체와 균등하게 혼합되도록 일정 공간으로 마련되어 있다. 그 외의 2단 내지 3단(120, 130)은 원주방향으로 회전날개 전체에 대하여 고압과 저압의 혼합유체가 통과하는 전체분사영역(FAR)으로 이루어져 있다.
상기에서, 각 단은 노즐(도면부호 미도시)과 로터(도면부호 미도시)로 이루어져 있으며, 로터는 회전날개와 회전바퀴로 구성된다.
그런데 종래의 이압 유입 터빈(100)은 크로스-오버 채널(140)을 통해 고압유체와 저압유체의 유동을 360도로 펼쳐지게 하여 균등화시키는 역할을 하지만, 1단(110)의 로터를 통과한 고압유체가 2단(120)의 노즐로 펼쳐져서 들어가기 위해 크로스-오버 채널(120)에서 유동 손실이 발생할 수밖에 없고, 또한 2단(120)의 입구로 추가되는 저압유체 역시 크로스-오버 채널(120)에서 펼쳐져서 2단(120)의 노즐로 들어가야 하기 때문에 유동 손실이 발생될 수밖에 없다.
즉, 크로스-오버 채널(120)은 유동을 균등화시키는 역할을 하지만, 완전한 유동 균등화를 이룰 수 없어, 터빈의 효율을 증대시키는데 한계가 있다.
이러한 한계를 해결하기 위한 방안으로 크로스-오버 채널(120) 또는 전체분사영역(FAR)의 단의 수를 기존보다 늘려 유동 균등화가 완전하게 되도록 할 수 있지만, 이는 터빈축의 길이를 길어지게 하는 단점은 물론 터빈의 크기가 커질 수밖에 없어 제작 비용이 증가되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 부분분사영역의 단과 전체분사영역의 단 사이에 크로스-오버 채널을 설치하지 않고, 고압유체 및 저압유체를 주입분사하여 부분분사 이후의 유동 균등화를 달성할 수 있도록 하는 이압 유입 터빈을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 크로스-오버 채널을 제거하여 크로스-오버 채널로 인한 에너지 손실을 방지하고, 이를 통해 이압 유입 터빈의 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 부분분사영역의 단과 전체분사영역의 단 사이에 크로스-오버 채널을 설치하지 않고, 고압유체 및 저압유체를 주입분사하여 부분분사 이후의 유동 균등화를 달성할 수 있도록 하는 이압 유입 터빈을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 부분분사영역의 단과 전체분사영역의 단 사이에 크로스-오버 채널을 설치하지 않아도 되어 터빈축의 길이를 축소할 수 있도록 하는 이압 유입 터빈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 이압 유입 터빈은, 케이싱 내부에 부분분사영역과 전체분사영역을 가지며, 상기 부분분사영역으로 고압유체가 유입되고 상기 부분분사영역과 상기 전체분사영역 사이로 저압유체가 유입되는 이압 유입 터빈 터빈에 있어서, 상기 부분분사영역의 1단으로 상기 고압유체를 공급하는 고압유체통로; 및 상기 부분분사영역의 상기 1단과 상기 전체분사영역의 2단 사이에 위치되며, 상기 케이싱에 별도의 내부유로를 형성하여 상기 2단으로 상기 저압유체를 공급하는 저압유체통로를 포함하되, 상기 고압유체통로로 공급되는 상기 고압유체는, 상기 부분분사영역의 상기 1단을 경유하여 상기 2단의 일부분으로 유입되고, 상기 저압유체통로를 통해 공급되는 저압유체는, 상기 2단의 나머지 일부분으로 유입되고, 상기 2단으로 유입된 상기 고압유체와 상기 저압유체는, 상기 전체분사영역의 3단의 입구에서 균등화된 유동으로 혼합되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 고압유체통로는, 터빈축을 기준으로 상부측에 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 고압유체통로는, 상기 1단의 제1 노즐에 연통되도록 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 저압유체통로는, 터빈축을 기준으로 하부측에 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 저압유체통로는, 상기 2단의 제2 노즐에 연통되도록 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 부분분사영역과 상기 전체분사영역 사이에 크로스-오버 채널을 설치하지 않을 수 있다.
본 발명에 따른 이압 유입 터빈은, 고압유체가 1단을 통과 후 바로 일정 비율의 분사영역을 가지고 2단의 제2 노즐로 들어가게 하고, 저압유체가 별도의 내부유로를 통해 일정 비율의 나머지 분사영역을 가지고 2단의 제2 노즐로 들어가게 하여, 3단의 제3 노즐 입구에서 고압유체와 저압유체가 혼합되도록 구성함으로써, 기존의 크로스-오버 채널을 설치하지 않으면서 부분분사 이후의 유동 균등화를 달성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이압 유입 터빈은, 기존의 크로스-오버 채널을 설치하지 않으므로, 크로스-오버 채널로 인한 에너지 손실을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 이압 유입 터빈의 전체 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이압 유입 터빈은, 부분분사영역의 1단과 전체분사영역의 2단 사이에 기존의 크로스-오버 채널을 설치하지 않아도 되어 터빈축의 길이를 축소할 수 있어, 축계의 강성 증대와 안정성을 확보할 수 있다.
도 1은 크로스-오버 채널을 구비한 종래의 이압 유입 터빈의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이압 유입 터빈의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이압 유입 터빈의 전산유체역학 성능해석 결과를 도시한 도면이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이압 유입 터빈의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이압 유입 터빈의 전산유체역학 성능해석 결과를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이압 유입 터빈(200)은, 케이싱(202), 부분분사영역(PAR), 전체분사영역(FAR), 고압유체통로(240), 저압유체통로(250)를 포함하여 구성될 수 있다.
케이싱(202)은, 이압 유입 터빈(200)의 회전체에서 외부를 덮고 있는 기밀실로서, 유체가 일을 하기 위한 공간을 제공하고, 내부에 후술할 부분분사영역(PAR), 후술할 전체분사영역(FAR), 후술할 고압유체통로(240), 후술할 저압유체통로(250)가 구비될 수 있다.
부분분사영역(PAR)은 케이싱(202)내에 형성된 후술할 고압유체통로(240)을 통해 유입된 고압유체가 원주방향으로 날개의 일부분만 통과하는 부분으로, 1단(210)에 해당될 수 있다.
상기에서, 1단(210)은, 제1 노즐(211), 제1 로터(212)를 포함하며, 이때 제1 로터(212)는, 케이싱(202) 내부로 유입된 고압유체의 작용으로 고압유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 발전기에 전달하는 부품으로 회전날개와 터빈축(204)에 연결되는 회전바퀴로 구성될 수 있다.
전체분사영역(FAR)은, 부분분사영역(PAR)을 통과한 고압유체와 후술할 저압유체통로(250)를 통해 유입된 저압유체가 날개전체에 대하여 통과하는 영역으로, 1단(210)을 제외한 나머지 단 즉, 2단(220) 및 3단(230)이 이에 해당될 수 있다.
상기에서, 2단(220) 및 3단(230) 각각은, 제2 및 제3 노즐(221, 231), 제2 및 제3 로터(222, 232)를 포함하며, 이때 제2 및 제3 로터(222, 232) 각각은, 케이싱(202) 내부로 유입된 고압유체와 저압유체가 혼합된 혼합유체의 작용으로 혼합유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 발전기에 전달하는 부품으로 회전날개와 터빈축(204)에 연결되는 회전바퀴로 구성될 수 있다.
고압유체통로(240)는, 고압유체를 부분분사영역(PAR)의 1단(210)으로 공급할 수 있으며, 1단(210)의 제1 로터(212)의 회전날개를 회전시키기 위한 제1 노즐(211)에 연통되도록 마련될 수 있다.
이러한 고압유체통로(240)는, 터빈축(204)을 기준으로 상부측에 마련될 수 있다.
상기에서, 고압유체는, 도 3에 도시된 바와 같이, 1단(210)을 통과한 후 바로 일정 비율의 분사영역을 가지고 2단(220)의 제2 노즐(221)로 들어가게 된다. 즉, 본 실시예에서는 기존의 크로스-오버 채널을 설치하지 않기 때문에, 고압유체가 크로스-오버 채널과 같은 유동 균등화를 위한 공간을 경유하지 않고 곧바로 일정 비율의 분사영역을 가지고 2단(220)의 제2 노즐(221)로 유입되는 것이다.
저압유체통로(250)는, 부분분사영역(PAR)의 1단(210)과 전체분사영역(FAR)의 2단(220) 사이에 위치되며, 케이싱(202)에 별도의 내부유로를 형성하여, 저압유체를 전체분사영역의 2단(220)으로 공급할 수 있으며, 2단(220)의 제2 로터(222)의 회전날개를 회전시키기 위한 제2 노즐(221)에 연통되도록 마련될 수 있다.
이러한 저압유체통로(250)는, 고압유체통로(240)에 대응되도록 터빈축(204)을 기준으로 하부측에 마련될 수 있다.
상기에서, 저압유체는, 도 3에 도시된 바와 같이, 2단(220)을 통과한 후 별도의 유로를 통해 일정 비율의 나머지 분사영역을 가지고 2단(220)의 제2 노즐(221)로 들어가게 된다. 즉, 본 실시예에서는 기존의 크로스-오버 채널을 설치하지 않기 때문에, 저압유체가 크로스-오버 채널과 같은 유동 균등화를 위한 공간을 경유하지 않고 곧바로 일정 비율의 나머지 분사영역을 가지고 2단(220)의 제2 노즐(221)로 유입되는 것이다.
이를 통해 본 실시예는, 고압유체가 부분분사영역(PAR)의 1단(210)을 경유하여 2단(220)에서도 제2 노즐(221)의 일부분만으로 들어가도록 유로를 설계하고, 또한 저압유체가 제2 노즐(221)의 나머지 일부분으로만 들어가도록 설계함으로써, 결국 2단(220)의 제2 노즐(221)이 100% 전체분사가 될 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이, 3단(230)의 제3 노즐(231) 입구에서 고압유체와 저압유체가 균등하게 혼합될 수 있고, 이러한 혼합유체는 균등화된 유동으로 혼합유체통로(206)를 통해 유출될 수 있다. 즉, 본 실시예는 기존의 크로스-오버 채널에서의 유동 손실을 방지하면서 2단(220)의 제2 노즐(221) 입구에서의 유동 불균일을 감소시킬 수 있는 것이다.
한편, 본 실시예는, 3단 구조로서도 균등화된 유동을 얻을 수 있어서, 부분분사영역(PAR)에 1단(210)이 설치되고, 전체분사영역(FAR)에 2단(220) 및 3단(230)이 설치되는 3단 구조의 이압 유입 터빈(200)의 경우를 설명하였지만, 3단 이상의 구조를 갖는 이압 유입 터빈의 경우에도 본 실시예를 적용할 수 있음은 물론이다.
이와 같이 본 실시예는, 고압유체가 1단(210)을 통과 후 바로 일정 비율의 분사영역을 가지고 2단(220)의 제2 노즐(221)로 들어가게 하고, 저압유체가 별도의 내부유로를 통해 일정 비율의 나머지 분사영역을 가지고 2단(220)의 제2 노즐(221)로 들어가게 하여, 3단(230)의 제3 노즐(231) 입구에서 고압유체와 저압유체가 혼합되도록 구성함으로써, 기존의 크로스-오버 채널(140)을 설치하지 않으면서 부분분사 이후의 유동 균등화를 달성할 수 있다.
또한, 본 실시예는, 기존의 크로스-오버 채널(140)을 설치하지 않으므로, 크로스-오버 채널(140)로 인한 에너지 손실을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 이압 유입 터빈(200)의 전체 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 실시예는, 부분분사영역(PAR)의 1단(210)과 전체분사영역(FAR)의 2단(220) 사이에 기존의 크로스-오버 채널(140)을 설치하지 않아도 되어 터빈축(204)의 길이를 축소할 수 있어, 축계의 강성 증대와 안정성을 확보할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 본 발명을 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 기술내용을 벗어나지 않는 범위에서 실시예에 예시되지 않은 여러 가지의 조합 또는 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들로부터 용이하게 도출 가능한 변형과 응용에 관계된 기술내용들은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 이압 유입 터빈 110: 1단
120: 2단 130: 3단
140: 크로스-오버 채널
200: 이압 유입 터빈 202: 케이싱
204: 터빈축 206: 고압유체통로
210: 1단 211: 제1 노즐
212: 제1 로터 220: 2단
221: 제2 노즐 222: 제2 로터
230: 3단 231: 제3 노즐
232: 제3 로터 240: 고압유체통로
250: 저압유체통로
PAR: 부분분사영역 FAR: 전체분사영역

Claims (6)

  1. 케이싱 내부에 부분분사영역과 전체분사영역을 가지며, 상기 부분분사영역으로 고압유체가 유입되고 상기 부분분사영역과 상기 전체분사영역 사이로 저압유체가 유입되는 이압 유입 터빈 터빈에 있어서,
    상기 부분분사영역의 1단으로 상기 고압유체를 공급하는 고압유체통로; 및
    상기 부분분사영역의 상기 1단과 상기 전체분사영역의 2단 사이에 위치되며, 상기 케이싱에 별도의 내부유로를 형성하여 상기 2단으로 상기 저압유체를 공급하는 저압유체통로를 포함하되,
    상기 고압유체통로로 공급되는 상기 고압유체는, 상기 부분분사영역의 상기 1단을 경유하여 상기 2단의 일부분으로 유입되고,
    상기 저압유체통로를 통해 공급되는 저압유체는, 상기 2단의 나머지 일부분으로 유입되고,
    상기 2단으로 유입된 상기 고압유체와 상기 저압유체는, 상기 전체분사영역의 3단의 입구에서 균등화된 유동으로 혼합되는 것을 특징으로 하는 이압 유입 터빈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고압유체통로는,
    터빈축을 기준으로 상부측에 마련되는 것을 특징으로 하는 이압 유입 터빈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 고압유체통로는,
    상기 1단의 제1 노즐에 연통되도록 마련되는 것을 특징으로 하는 이압 유입 터빈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 저압유체통로는,
    터빈축을 기준으로 하부측에 마련되는 것을 특징으로 하는 이압 유입 터빈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 저압유체통로는,
    상기 2단의 제2 노즐에 연통되도록 마련되는 것을 특징으로 하는 이압 유입 터빈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 부분분사영역과 상기 전체분사영역 사이에 크로스-오버 채널을 설치하지 않는 것을 특징으로 하는 이압 유입 터빈.
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