KR20210144839A - 터빈- 또는 밸브 하우징용 고정 수단 - Google Patents

터빈- 또는 밸브 하우징용 고정 수단 Download PDF

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요한나 마리 한
토르슈텐-울프 케른
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 터빈- 또는 밸브 하우징용 고정 수단에 관한 것이며, 증기- 또는 가스 터빈(10)의 제1 하우징 부품(14)을 터빈의 제2 하우징 부품(16)과 연결시키기 위한 고정 수단(22)은 본 발명에 따라, 높은 이완 강도를 갖는 모재로부터 고정 수단(22)이 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

터빈- 또는 밸브 하우징용 고정 수단
본 발명은 증기- 또는 가스 터빈의 제1 하우징 부품을 증기- 또는 가스 터빈의 제2 하우징 부품과 연결시키기 위한 고정 수단에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 제1 하우징 부품 및 제2 하우징 부품, 그리고 하우징 부품들의 플랜지형 하우징 접합 영역 내에서 두 하우징 부품들을 연결시키기 위한 이러한 유형의 고정 수단을 구비한 증기- 또는 가스 터빈용 터빈 하우징에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 밸브 하우징에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 이러한 유형의 터빈 하우징을 구비한 화력 발전소용 터빈에 관한 것이다.
본원에서, 터빈 하우징은, 일반적으로 외부 하우징에 의해 둘러싸인 증기- 또는 가스 터빈의 내부 하우징을 의미한다.
증기 터빈의 작동 시에는 가능한 한 높은 증기 상태가 요구된다. 즉, 증기 터빈을 가능한 한 높은 증기 압력에서 매우 높은 증기 온도로 작동하는 것이 요구된다. 이 경우, 고정 수단의 실시예로서, 증기 터빈의 2개의 하우징 부품들을 연결시키는데 사용되는 나사는 높은 응력과 동시에 존재하는 높은 온도에 노출된다. 따라서, 종래 기술에서 이러한 나사는 고내열성 재료로 제조된다. 이 경우, 상이한 조성의 합금들이 나사 재료로서 사용된다. 그러나, 종래 기술에서 사용되는 나사는 250바아 미만의 비교적 작은 압력차에 대해 구성된 터빈 하우징에서만 사용 가능하다. 더 높은 압력차에 대해 구성된 증기 터빈에는 나사 연결이 없는 특수한 일체형 유입 하우징이 부분적으로 제공된다. 종래 기술에 공지된 다른 증기 터빈의 경우, 이미 비교적 짧은 작동 시간 이후, 즉 경우에 따라서는 이미 100000 시간 대신 30000 시간의 작동 시간 이후에 빈번한 나사 재조임과, 그에 따라 터빈의 개방이 필요하다.
본 발명의 기초가 되는 과제는, 높은 압력차, 특히 250바아를 초과하는 압력차와, 유동 매체의 높은 온도에서도 터빈의 제1 하우징 부품을 제2 하우징 부품과 연결하기 위해 고정 수단이 사용될 수 있도록, 고정 수단을 구비한 터빈을 개선하는 것이다.
이러한 과제는, 본 발명에 따라, 청구항 제1항의 특징에 따른 일반적 유형의 고정 수단에 의해 해결된다.
또한, 이러한 과제는 본 발명에 따른 이러한 유형의 고정 수단이 제공되는 증기- 또는 가스 터빈용 터빈 하우징에 의해 해결된다.
또한, 이러한 과제는 이러한 유형의 터빈 하우징을 구비한 화력 발전소용 터빈에 의해 해결된다.
모재는 N/B의 비율(중량%)이 1.0 내지 5.0이 되도록 형성된다.
본 발명에 따른 모재를 사용함으로써, 고정 수단은 250바아를 초과하는 높은 압력차 및 높은 온도에서 2개의 하우징 부품들의 연결을 위해 신뢰 가능하게 사용될 수 있도록 하는 강도를 갖는다. 고정 수단이 나사로서 형성된 경우, 조기의 나사 재조임이 불필요하다. 고정 수단의 실시예로서의 본 발명에 따른 나사에서 사용되는 재료는, 종래 기술에 공지된 나사 재료와 비교하여 더 높은 초기 강도, 더 강한 나사 조임 및 이에 따라 더 높은 이완 최종 응력(relaxation final stress)을 갖는다. 본 발명에 따른 나사는 초초임계(ultra-supercritical) 증기 상태(300바아/600℃)를 위한 결합형 터빈(단일 하우징 내에서의 고압 터빈 실린더와 중압 터빈 실린더의 결합)의 건설을 가능하게 한다. 예를 들어 고압 증기 터빈, 중압 증기 터빈 또는 단일 하우징형 중압 증기 터빈 및 저압 증기 터빈과 같은 다른 증기 터빈에 사용되는 경우에도, 신규 개발에 있어서의 개선 가능성이 존재한다.
본 발명에 따른 합금의 모재에서는, 모재/합금으로 이루어진 구성 요소의 적용 중에, 빠르게 성장할 수 있으며 크리프 강도 및 이완 강도가 급격히 강하한다는 점에서 미세 구조의 안정성에 영향을 미치는, 예를 들어 라베스 상(Laves phase) 타입의 석출물이 발생하는 것을 방지하기 위해 텅스텐이 사용되지 않는다.
추가적으로, W를 함유한 새로운 상의 석출물에 의하여 모재/합금의 변형성이 변화함으로써, 반경부, 노치부 및 전이부에서 균열의 위험이 발생하고, 이에 따라 작동 중인 구성 요소가 위험에 처하게 된다.
기본 매트릭스 조성에 매칭되는 N/B 비율의 설정은, 장기 특성을 초기 상태에서 설정하고, 고온에서 장기간에 걸쳐 유지하기 위해 필수적이다. 이의 목적은, 매트릭스 안정성을 위해 MX 유형 및 M2X 유형의 V-질화물 또는 Nb-질화물의 석출을 위한 충분한 N과, 시간 적용 및 온도 적용 시의 탄소를 함유한 M23C6 석출물의 성장을 억제하기 위한 B를 제공하는 것이다.
B와 N이 마찬가지로 서로에 대한 높은 화학적 친화력을 가지고 있고, 불리한 N/B 비율에서 조대한(coarse) BN 석출물이 발생할 수 있으므로, N과 B는 더 이상 미세 구조의 장기 강도를 위해 사용될 수 없다.
조대한 BN 석출물이 더 이상 강도 증가 효과를 갖지 않음으로써, 기본 미세 구조가 훨씬 약화된다.
고정 수단은 나사 또는 스터드 나사로서 형성될 수 있다. 또한, 고정 수단은 너트 또는 유니온 너트로서 형성될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 고정 수단은, 플랜지형 하우징 접합 영역 내에서 제1 하우징 부품을 제2 하우징 부품과 연결시키는 하우징 접합 나사로서 형성된다. 하우징 접합 나사는 볼트 나사로서 또는 연속 나사로서도 형성될 수 있다.
높은 증기 상태에서 고정 수단의 강도를 보장하기 위하여, 고정 수단의 재료가 400℃ 내지 650℃의 온도 범위에서 강도에 있어 최적화되고, 특히 최소 700MPa의 실온에서의 강도(Rp 0.2)에 의해 규정되는 경우가 바람직하다. 즉, 0.2%의 소성 변형 항복 강도는 고정 수단의 재료에서 실온에서의 700MPa의 응력을 받을 때에야 비로소 달성된다. 이완 최종 응력의 상승에 추가하여, 나사 초기 응력이 변수로서 고려될 수 있다.
특히, 예를 들어 400℃ 내지 650℃에서의 요구 강도와 같은, 상술한 재료 매개변수를 달성하기 위하여, 고정 수단의 제조가 하기 단계들, 즉 재료 성분들을 용융하는 단계, 용융물을 사전 열처리 및 추가 가공하여 원형 프로파일을 형성하는 단계, 그리고 T ≤ 720℃의 템퍼링 매개변수로 원형 프로파일을 담금질 처리하는 단계를 포함하는 경우가 바람직하다. 용융 시에는, ESU강을 사용하고 격렬하게 단조하는 것이 바람직하다. 담금질 처리는 바람직하게는 오일 담금질로서 실행된다. 고정 수단의 전체 외부 표면을 통해, 마텐자이트 단계에서의 완전한 변환이 실행되어야 한다. 담금질 온도는 1050℃ 내지 1120℃이어야 한다. 바람직하게, 이중 템퍼링 처리가 실행될 수 있으며, 이때 하기 사항, 즉 제1 템퍼링을 위해 바람직하게는 570℃의 온도가 사용되는 것에 유념해야 한다. 제2 템퍼링 처리의 온도는 1차 템퍼링 처리의 온도보다 높아야 한다.
바람직한 실시예에서, 고정 수단은 재료 X13CrMoCoVNbNB9-2-1을 갖는다. 특히, 고정 수단은 100% 이러한 재료로 구성된다. 이러한 재료의 사용을 통해, 고정 수단은 높은 증기 온도에서의 자신의 강도와 관련하여 개선되므로, 높은 증기 상태에서 상응하는 증기 터빈의 두 하우징 부품들을 연결시키기에 최적으로 적합하다.
이러한 유형의 조성을 갖는 재료는 강도, 인장 강도, 연신율, 단면 수축율 및 크리프 강도와 관련하여 개선된 특성을 갖는다. 이로 인해, 높은 증기 상태가 적용되는 증기 터빈의 2개의 하우징 부품들을 연결시키기 위한, 이러한 재료로 제조된 고정 수단의 적합성이 상응하게 개선된다.
본 발명의 상술한 특성들, 특징들 및 장점들은 물론, 그들이 달성되는 방식은, 도면과 관련하여 더 명료하고 더 명확하게 이해 가능하도록 더 상세하게 설명될 것이다.
본 발명의 실시예가 하기에 도면에 의해 설명된다. 이러한 도면은 실시예를 척도에 맞게 도시하지 않으며, 도면은 설명에 유용하다면 개략적인 형태 및/또는 약간 왜곡된 형태로 나타난다. 도면에 직접 나타나는 교시의 보충 내용과 관련하여, 관계되는 종래 기술이 참조된다.
도 1은 하우징 접합 나사를 구비한 터빈 하우징의 플랜지형 하우징 접합 영역의 단면도이다.
도 1은 하우징 접합부(18)의 영역에서 증기 터빈(10)의 터빈 하우징(12)의 일부를 도시한다. 이 경우, 터빈 하우징(12)은, 외부 하우징으로 둘러싸인 증기 터빈(10)의 내부 하우징을 나타낸다.
본 발명은 밸브 하우징에도 사용될 수 있다.
터빈 하우징(12)은 상부 또는 제1 하우징 부품(14)과, 하부 또는 제2 하우징 부품(16)을 포함한다. 하우징 접합부(18)는 제1 하우징 부품(14)과 제2 하우징 부품(16) 사이에 위치한다. 하우징 접합부(18) 영역에서 제1 하우징 부품(14) 및 제2 하우징 부품(16)은 플랜지형으로 형성된다. 제1 하우징 부품(14)의 하우징 플랜지(15) 및 제2 하우징 부품(16)의 하우징 플랜지(17)에는 내부 나사산을 구비한 나사 구멍(20)이 제공된다.
나사 구멍(20)은 하우징 접합 나사(22)의 수용을 위해 형성된다. 하우징 접합 나사(22)는 고정 수단(22)의 일 실시예이다. 고정 수단(22)의 다른 실시예들은 스터드 나사 또는 너트, 특히 유니온 너트일 수도 있다. 이 경우, 나사 구멍(20)은 완전히 제1 하우징 부품(14)의 하우징 플랜지(15)를 통해 그리고 부분적으로 제2 하우징 부품(16)의 하우징 플랜지(17) 내에서 연장된다. 하우징 접합 나사(22)는 상부로부터, 즉 제1 하우징 부품(14)의 하우징 플랜지(15)의 상부 측면으로부터 나사 구멍(20) 내로 나사 조임될 수 있다. 본 예시에서, 하우징 접합 나사(22)는 육각 나사로서 형성되고, 나사 머리(24)와, 나사 구멍(20)의 내부 나사산에 매칭되는 외부 나사산을 구비한 나사 샤프트(26)를 포함한다. 도면에 도시된, 완전히 나사 구멍(20) 내로 나사 조임된 하우징 접합 나사(22)의 위치에서, 이러한 하우징 접합 나사는 각각의 하우징 플랜지(15 및 17)들을 통한 제1 하우징 부품(14)과 제2 하우징 부품(16) 사이의 고정 연결부를 형성한다. 하우징 접합 나사(22)는 도면에 도시된 형상 외에, 다양한 다른 형상들로도 형성될 수 있다. 예를 들어, 하우징 접합 나사(22)는, 자신의 각각의 단부면들에 상응하는 나사 너트들을 구비한 볼트 나사로서도 형성될 수 있다.
하우징 접합 나사(22)는 모재로부터 형성된다.
하우징 접합 나사(22)의 모재의 화학적 조성은 하기 화학 원소들을 갖는다.
C: 0.10 내지 0.17중량%,
Mn: 0.20 내지 0.60중량%,
Cr: 8.0 내지 11.0중량%,
Mo: 1.0 내지 2.0중량%,
Co: 0.50 내지 2.00중량%,
N: 0.010 내지 0.050중량%,
B: 0.005 내지 0.015중량%,
V: 0.10 내지 0.30중량%,
Al: 최대 0.010중량%,
Nb: 0.02 내지 0.08중량%,
Ni: 0.10 내지 0.50중량%,
Si: 최대 0.10중량%,
P: 최대 0.010중량%,
S: 최대 0.005중량%,
Fe: 나머지
모재는, N/B의 비율(중량%)이 1.0 내지 5.0이 되도록 형성된다.
나사(22)는 재료 X13CrMoCoVNbNB9-2-l을 포함하고, 특히 나사는 100% 이러한 재료로 구성된다.
나사(22)의 모재는 400℃ 내지 650℃의 온도 범위에서 강도에 있어 최적화되고, 특히 최소 700MPa의 실온에서의 강도(Rp 0.2)에 의해 규정된다.
나사(22)의 제조는 하기 단계들, 즉 재료 성분들을 용융하는 단계, 용융물을 사전 열처리 및 추가 가공하여 원형 프로파일을 형성하는 단계, 그리고 T ≤ 720℃의 템퍼링 매개변수로 원형 프로파일을 담금질 처리하는 단계를 포함한다.
C = 탄소, Mn = 망간, Cr = 크롬, Mo = 몰리브덴,
Co = 코발트, N = 질소, B = 붕소, V = 바나듐,
Al = 알루미늄, Nb = 니오븀, Ni = 니켈, Si = 규소,
P = 인, S = 황, Fe = 철, W = 텅스텐.

Claims (13)

  1. 증기- 또는 가스 터빈(10)의 제1 하우징 부품(14)을 증기- 또는 가스 터빈(10)의 제2 하우징 부품(16)과 연결시키기 위한 고정 수단(22)으로서, 고정 수단(22)은 모재로부터 형성되고,
    이러한 모재는 하기 조성, 즉
    C: 0.10 내지 0.17중량%,
    Mn: 0.20 내지 0.60중량%,
    Cr: 8.0 내지 11.0중량%,
    Mo: 1.0 내지 2.0중량%,
    Co: 0.50 내지 2.00중량%,
    N: 0.010 내지 0.050중량%,
    B: 0.005 내지 0.015중량%,
    V: 0.10 내지 0.30중량%,
    Al: 최대 0.010중량%,
    Nb: 0.02 내지 0.08중량%,
    Ni: 0.10 내지 0.50중량%,
    Si: 최대 0.10중량%,
    P: 최대 0.010중량%,
    S: 최대 0.005중량%,
    Fe: 나머지
    를 포함하는, 고정 수단에 있어서,
    모재는 N/B의 비율(중량%)이 1.0 내지 5.0이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 고정 수단(22).
  2. 제1항에 있어서, 모재는 0.5 내지 1.5중량%의 Co를 포함하고, 최대 5중량%의 W를 포함하는, 고정 수단(22).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고정 수단(22)은 나사(22)로서 형성되는, 고정 수단(22).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고정 수단(22)은 2개의 구성 요소들의 연결을 위한 유니온 너트로서 형성되는, 고정 수단(22).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 고정 수단(22)은, 플랜지형 하우징 접합 영역(15, 17) 내에서 제1 하우징 부품(14)을 제2 하우징 부품(16)과 연결시키는 하우징 접합 나사(22)로서 형성되는, 고정 수단(22).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 모재는 400℃ 내지 650℃의 온도 범위에서 강도에 있어 최적화되고, 특히 최소 700MPa의 실온에서의 강도(Rp 0.2)에 의해 규정되는, 고정 수단(22).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 고정 수단(22)의 제조는 하기 단계들, 즉 재료 성분들을 용융하는 단계, 용융물을 사전 열처리 및 추가 가공하여 원형 프로파일을 형성하는 단계, 그리고 T ≤ 720℃의 템퍼링 매개변수로 원형 프로파일을 담금질 처리하는 단계를 포함하는, 고정 수단(22).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 고정 수단(22)은 재료 X13CrMoCoVNbNB9-2-1을 갖고, 특히 100% 이러한 재료로 구성되는, 고정 수단(22).
  9. 제1 하우징 부품(14) 및 제2 하우징 부품(16), 그리고 하우징 부품(14, 16)들의 플랜지형 하우징 접합 영역(15, 17) 내에서 두 하우징 부품(14, 16)들을 연결시키기 위한 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 고정 수단(22)을 구비한 증기- 또는 가스 터빈용 터빈 하우징.
  10. 증기- 또는 가스 터빈용 밸브 하우징으로서, 이러한 밸브 하우징은 밸브 하우징 상부 부품 및 밸브 하우징 하부 부품과, 그리고 밸브 하우징 상부 부품을 밸브 하우징 하부 부품과 연결시키기 위한 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 고정 수단(22)을 포함하는, 증기- 또는 가스 터빈용 밸브 하우징.
  11. 제9항에 따른 터빈 하우징을 구비한 화력 발전소용 터빈.
  12. 제10항에 따른 밸브 하우징을 구비한 화력 발전소용 터빈.
  13. 제9항에 따른 터빈 하우징 및 제10항에 따른 밸브 하우징을 구비한 화력 발전소용 터빈.
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