KR20070108822A - 증기 터빈용 가변성 유극 양압 패킹을 위한 인장 스프링액추에이터 - Google Patents

증기 터빈용 가변성 유극 양압 패킹을 위한 인장 스프링액추에이터 Download PDF

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KR20070108822A
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sealing ring
spring
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casing
attached
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KR1020070044093A
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Inventor
제이슨 폴 모츠하임
윌리암 에드워드 애디스
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

패킹 케이싱(72) 및 밀봉링(120)용 편향 시스템(350)이 개시된다. 편향 시스템(350)은 패킹 케이싱(72) 내에 위치되는 정밀 어깨부(352)를 갖춘 나사(204) 및 제 1 단부에서 상기 정밀 어깨부(352)에 부착되고, 제 2 단부에서 상기 밀봉링(120)에 부착되는 스프링(202)을 포함할 수 있다.

Description

증기 터빈용 가변성 유극 양압 패킹을 위한 인장 스프링 액추에이터{TENSION SPRING ACTUATORS FOR VARIABLE CLEARANCE POSITIVE PRESSURE PACKINGS FOR STEAM TURBINES}
도 1은 전형적인 대향 유동 고압(HP)/중압(IP) 증기 터빈의 개략도,
도 2는 도 1에 도시된 증기 터빈과 함께 사용될 수 있는 패킹 케이싱 및 터빈 노즐막의 확대 개략도,
도 3은 도 1에 도시된 증기 터빈과 함께 사용될 수 있는 래비린스 밀봉 조립체의 전형적인 실시예를 도시한 도면,
도 4는 도 3에 도시된 래비린스 밀봉 조립체와 함께 사용될 수 있는 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템의 전형적인 실시예를 도시한 도면,
도 5는 도 3에 도시된 래비린스 밀봉 조립체와 함께 사용될 수 있는 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템의 전형적인 대안예를 도시한 도면,
도 6은 도 3에 도시된 래비린스 밀봉 조립체와 함께 사용될 수 있는 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템의 또 다른 전형적인 대안예를 도시한 도면,
도 7은 도 3에 도시된 래비린스 밀봉 조립체와 함께 사용될 수 있는 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템의 또 다른 전형적인 대안예를 도시한 도면,
도 8은 도 3에 도시된 래비린스 밀봉 조립체와 함께 사용될 수 있는 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템의 또 다른 전형적인 대안예를 도시한 도면,
도 9는 도 3에 도시된 래비린스 밀봉 조립체와 함께 사용될 수 있는 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템의 또 다른 전형적인 대안예를 도시한 도면,
도 10은 도 3에 도시된 래비린스 밀봉 조립체와 함께 사용될 수 있는 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템의 또 다른 전형적인 대안예를 도시한 도면,
도 11은 도 3에 도시된 래비린스 밀봉 조립체와 함께 사용될 수 있는 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템의 또 다른 전형적인 대안예를 도시한 도면,
도 12는 도 3에 도시된 래비린스 밀봉 조립체와 함께 사용될 수 있는 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템의 또 다른 전형적인 대안예를 도시한 도면,
도 13은 도 3에 도시된 래비린스 밀봉 조립체와 함께 사용될 수 있는 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템의 또 다른 전형적인 대안예를 도시한 도면.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
102: 밀봉링 104: 치형부
112: 케이싱 홈 120: 외부 링부
134: 고압 환형 공간 136: 저압 환형 공간
202: 헬리컬 편향 스프링 204: 나사
350: 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템 351: 나사산 어깨부
352: 정밀 어깨부 72: 패킹 케이싱
본 발명은 일반적으로 회전기, 구체적으로는 회전기에 사용하기 위한 밀봉 조립체에 관한 것이다.
적어도 일부 증기 터빈은 증기 입구, 터빈 및 증기 출구를 연속 유동(serial-flow) 관계로 포함하는 한정된 증기 경로를 갖는다. 증기 경로 밖으로 또는 증기 경로 내로, 고압 영역으로부터 저압 영역으로의 증기 누설은 터빈의 작동 효율에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 터빈의 회전하는 회전자 축과 원주 방향으로 둘러싸는 터빈 케이싱 사이에서의 터빈 내의 증기-경로 누설은 터빈의 효율을 저하시킬 수 있다. 또한, 셀(shell)과, 인접하는 터빈 사이로 연장하는 케이싱의 부분 사이에서의 증기-경로 누설은 오버 타임(over time) 및 증기 터빈의 작동 효율을 감소시킬 수 있으며, 연료 비용이 증가될 수 있다.
터빈부와 베어링 사이의 증기-경로 누설의 최소화를 용이하게 하기 위해서, 적어도 일부의 공지된 증기 터빈은 다수의 래비린스 밀봉부(labyrinth seal)를 포함하는 패킹 케이싱(packing casing)을 사용한다. 일부 공지된 래비린스 밀봉부는 증기 터빈에 있을 수 있는 압력차에 대한 밀봉을 위해 사용되는 종방향으로 이격된 래비린스 밀봉 치형부의 열을 포함한다. 또한, 브러시 밀봉부는 2개의 구성요소 사이에 형성되는 간극을 통한 누설을 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 비록, 브러시 밀봉부가 일반적으로 래비린스 밀봉부보다 더 효율적인 밀봉을 제공하지만, 터빈부 사이 및/또는 터빈부와 베어링 사이의 브러시 밀봉 조립체에 의존하는 적어도 일부의 공지된 증기 터빈은 브러시 밀봉 조립체를 위한 여분의 예비 밀봉부로서 적어도 하나의 래비린스 밀봉부를 사용한다. 결과적으로, 제조 비용이 증가될 수 있다.
래비린스 밀봉부는 반경 방향으로 재위치되고 조절되어, 작동자 개입에 근거하여 터빈 작동 조건의 함수로서 수동적으로, 또는 능동적으로 증기 누설 유동을 조절한다. 일반적으로, 수동 모드에서, 터빈 부하가 증가됨에 따라, 밀봉부는 상기 밀봉부가 총 부하 또는 총 부하에 인접하여 완전히 삽입될 때까지, 수축된 상태로부터 반경 방향 내측으로 이동한다. 완전히 삽입된 경우, 밀봉 치형부와 터빈 회전자 축 사이에 형성되는 간극은 최소값이 되며, 따라서 소정의 터빈 과도현상(turbine transient)은 밀봉 치형부와 회전자 사이의 예기치 않은 접촉을 유발할 수 있다. 능동 모드의 사용은 접촉을 유발할 수 있는 상태를 예상하여 필요한 것으로서 밀봉부를 가동시키기 위한 메커니즘을 작동자에게 제공함으로써 접촉을 감소 또는 제거할 수 있다. 또한, 능동 밀봉 제어 메커니즘은 실질적으로 유사한 결과를 얻도록 자동화될 수 있다. 터빈이 작동 속도로 가속되고, 부분적으로 부하가 걸리게 될 때, 열적 구배, 진동 및 오정렬이 현재의 작동 조건에 대해 미리 결정된 범위 내에 존재할 것이 예상된다. 터빈 작동 과정에 있어서 이때까지 밀봉부의 내향 이동을 지체시키는 것은 의도하지 않은 밀봉부 대 회전자의 접촉에 대한 잠재적 가능성을 최소화시킨다.
따라서, 본 출원은 밀봉링 및 패킹 케이싱을 위한 편향 시스템(biasing system)을 개시한다. 편향 시스템은 상기 패킹 케이싱 내에 위치되는 정밀 숄더부(precision shoulder)를 갖춘 나사와, 제 1 단부에서 상기 정밀 숄더부에 부착되고 제 2 단부에서 상기 밀봉링에 부착되는 스프링을 포함할 수 있다.
밀봉링은 그 내부에 홈을 포함할 수 있으며, 스프링은 상기 홈을 통해 밀봉링에 부착된다. 밀봉링은 상기 밀봉링에 부착되는 플레이트를 포함할 수 있으며, 스프링은 상기 플레이트를 통해 밀봉링에 부착된다. 상기 플레이트는 다수의 구멍을 포함할 수 있으며, 스프링은 상기 구멍을 통해 연장한다. 밀봉링은 상기 밀봉링에 부착되는 로드를 포함할 수 있으며, 스프링은 상기 로드를 통해 상기 밀봉링에 부착된다. 밀봉링은 그 내부에 홈을 포함할 수 있으며, 상기 로드는 상기 홈에 부착된다. 밀봉링은 그 내부에 홈을 포함할 수 있으며, 상기 홈 내에 활주 가능하게 위치되는 로드를 더 포함할 수 있다. 패킹 케이싱은 상기 패킹 케이싱을 통해 연장하는 스프링 경로를 포함할 수 있으며, 스프링은 스프링 경로를 통해 연장한다. 패킹 케이싱은 그 내부에 위치되는 나사산형 인서트를 포함할 수 있으며, 나사는 상기 나사산형 인서트 내에 위치된다.
본 출원은 밀봉링과, 패킹 케이싱으로서 상기 패킹 케이싱을 통해 연장하는 스프링 경로를 갖는, 상기 패킹 케이싱을 위한 편향 시스템을 더 개시한다. 편향 시스템은 패킹 케이싱 내에 위치되는 나사를 포함할 수 있으며, 이때 스프링은 제 1 단부에서 스프링 경로를 통해 연장하여 상기 나사에 부착되고, 제 2 단부에서 밀 봉링에 부착된다.
나사는 정밀 숄더부를 포함할 수 있으며, 스프링은 상기 정밀 숄더부를 통해 상기 나사에 부착된다. 밀봉링은 그 내부에 홈을 포함할 수 있으며, 스프링은 상기 홈을 통해 밀봉링에 부착된다. 밀봉링은 상기 밀봉링에 부착되는 플레이트를 포함할 수 있으며, 스프링은 상기 플레이트를 통해 밀봉링에 부착된다. 상기 플레이트는 다수의 구멍을 포함할 수 있으며, 스프링은 상기 구멍을 통해 연장한다. 밀봉링은 상기 밀봉링에 부착되는 로드를 포함할 수 있으며, 스프링은 상기 로드를 통해 밀봉링에 부착된다. 밀봉링은 그 내부에 홈을 포함할 수 있으며, 로드는 상기 홈에 부착된다. 밀봉링은 상기 밀봉링에 부착되는 플레이트를 포함할 수 있으며, 로드는 상기 플레이트에 부착된다. 밀봉링은 그 내부에 홈을 포함할 수 있으며, 상기 홈 내에 활주 가능하게 위치되는 로드를 더 포함할 수 있다.
본 출원은 패킹 케이싱 및 밀봉링용 편향 시스템을 더 개시한다. 편향 시스템은 패킹 케이싱 내에 위치되는 패킹 케이싱 홈과, 패킹 케이싱 홈 내에 위치되는 패킹 케이싱 요소와, 밀봉링 내에 위치되는 밀봉링 홈과, 밀봉링 홈 내에 위치되는 밀봉링 요소와, 제 1 단부에서 패킹 케이싱 요소에 연결되고 제 2 단부에서 밀봉링 요소에 연결되는 스프링을 포함할 수 있다. 패킹 케이싱 요소는 로드 또는 플레이트를 포함할 수 있다. 밀봉링 요소는 로드 또는 플레이트를 포함할 수 있다.
도 1은 고압(HP)부(12) 및 중압(IP)부(14)를 포함하는 전형적인 대향 유동 증기 터빈(opposed-flow steam turbine; 10)의 개략도이다. 외측 셀 또는 케이싱(16)은 축선 방향으로 각각 상부 및 하부 절반부(13, 15)로 나누어지며, HP부(12)와 IP부(14) 양 부분에 이른다. 셀(16)의 중앙부(18)는 고압 증기 입구(20) 및 중압 증기 입구(22)를 포함한다. 케이싱(16) 내에서, HP부(12)와 IP부(14)는 저널 베어링(26, 28)에 의해 지지되는 단일 베어링 스팬에 배열된다. 증기 밀봉 유닛(30, 32)은 각각 저널 베어링(26, 28)의 내측에 각각 위치된다.
환형 부분 분리부(42)는 중앙부(18)로부터 HP부(12)와 IP부(14) 사이에서 연장하는 회전자 축(60)을 향해 반경 방향 내측으로 연장한다. 보다 구체적으로, 분리부(42)는 제 1 HP부 노즐(46) 및 제 1 IP부 노즐(48) 사이의 회전자 축(60)의 부분을 중심으로 원주 방향으로 연장한다. 분리부(42)는 패킹 케이싱(52)에 형성되는 채널(50)에 수용된다. 보다 구체적으로는, 채널(50)은 상기 채널(50)의 중앙 개구가 반경 방향 외측으로 향하도록, 패킹 케이싱(52)의 외측 원주를 중심으로 상기 패킹 케이싱(52) 내로 반경 방향으로 연장하는 C 형상 채널이다.
작동 중에, 고압 증기 입구(20)는 증기 공급원 예를 들어, 발전용 보일러(도시되지 않음)로부터 고압/고온 증기를 수용한다. 증기는 HP부(12)를 통해 안내되며, 이때 상기 증기로부터 도출된 일이 회전자 축(60)을 회전시킨다. 증기는 HP부(12)를 빠져나가고, 증기가 재열될 보일러로 되돌아 간다. 그 후, 재열된 증기는 중압 증기 입구(22)로 안내되고, HP부(12)로 들어가는 증기보다 감압된 압력으로, 그러나 HP부(14)로 들어가는 증기의 온도와 대략 동일한 온도로 IP부(14)로 되돌아간다. 따라서, HP부(12) 내의 작동 온도는 HP부(12) 내의 증기가 HP부(12)와 IP부(14) 사이에서 전개될 수 있는 누설 경로를 통해 IP부(14)를 향해 흐르도록, IP부(14) 내의 작동 압력보다 크다. 이러한 누설 경로 중 하나는 회전자 축(60) 내의 패킹 케이싱(52)을 통해 연장하여 형성될 수 있다.
도 2는 터빈(10)과 함께 사용될 수 있는 전형적인 패킹 케이싱(72)과 터빈 노즐막(70)의 확대 개략도이다. 전형적인 실시예에서, 노즐막(70)은 고압 터빈(12)과 함께 사용되는 제 1 단계 막이다. 또한, 전형적인 실시예에서, 패킹 케이싱(72)은 회전자 축(60)을 따라 HP부(12)로부터 IP부(14)로의 누설 감소를 용이하게 하는 다수의 래비린스 밀봉 조립체(100)를 포함한다. 래비린스 밀봉 조립체(100)는 터빈(10)과 같은 증기 터빈에 존재할 수 있는 작동 압력 차이에 대한 밀봉을 용이하게 하는 밀봉링(102)에 부착되는 종방향으로 이격된 치형부(104) 열을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 패킹 케이싱(52)은 2개의 요소 사이에 형성되는 간극을 통해 누설, 예를 들어 고압 영역으로부터 저압 영역으로 흐르는 누설을 최소화하기에 용이하도록 사용될 수 있는 브러시 밀봉부를 포함한다.
작동에 있어서, HP부(12) 내의 고압의 증기는 제 1 단계 노즐막(70)과 패킹 케이싱(72) 사이에 형성되는 증기 경로를 통해 더 낮은 작동 압력의 영역인 IP부(14)로 누설되는 경향이 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 고압 증기는 대략 1800 psia(절대압력단위; pounds per square inch absolute)로 HP부(12)에 허용되며, 재열 증기는 대략 300 내지 400 psia에서 IP부(14)에 허용된다. 따라서, 패킹 케이싱(72)에 걸쳐 상대적으로 큰 압력 강하로 인해, 증기가 회전자 축(60)을 따라 패킹 케이싱(72) 주위에서 누설되어, 결과적으로 증기 터빈 효율을 감소시키게 된 다.
도 3은 터빈(10)과 함께 사용될 수 있는 래비린스 밀봉 조립체(100)의 전형적인 실시예이다. 도 3에서, 회전자 축(60)의 일부 및 케이싱(72)의 일부만이 도시되어 있다. 또한, 비록 단일 밀봉링(102)만이 도시되어 있지만, 다수의 이러한 링이 도 2에 도시된 바와 같이 연속하여 배열될 수 있다. 대안적인 실시예에 있어서, 래비린스 밀봉 조립체(100)는 터빈(10)에 있어서의 다른 영역의 밀봉을 용이하게 하기 위해 사용된다.
밀봉링(102)은 회전자 축(60)으로부터 외측 방향으로 연장하는 다수의 회전자 축 원주 방향 돌출부(105)의 맞은편에 위치되는 다수의 치형부(104)를 포함한다. 전형적인 실시예에 있어서, 각각의 원주 방향 돌출부(105)는 다수의 반경 방향 내부 회전면(109) 사이에 위치되는 반경 방향 외부 회전면(107)을 포함한다. 전술된 바와 같이, 포지티브 힘은 치형부(104)와 회전자 축(60) 사이에 형성되는 유극 영역(110)에 의해 형성되는 다중 제한부 사이에서 유체 유동을 강제할 수 있다. 더욱 구체적으로, 유극 영역(110)의 결합, 치형부(104)의 개수 및 상대적 예리함, 회전자 축 원주 방향 돌출부(105)의 개수 및 압력과 밀도를 포함하는 작동 조건은 누설 유동의 양을 측정하는 인자이다. 이와 달리, 그 밖의 다른 기하학적 배열 역시 다중 또는 단일 누설 제한부를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
각각의 밀봉링(102)은 케이싱(72) 내에 형성되는 케이싱 홈(112)에 유지된다. 일 실시예에 있어서, 각각의 밀봉링(102)은 케이싱 홈(112) 내에 위치되어 케이싱(72)의 조립 또는 분해를 용이하게 할 수 있는 다수의 밀봉링 세그먼트(도 3에 도시되지 않음)를 포함한다. 전형적인 실시예에서, 하나의 스프링 시스템(도 3에 도시되지 않음)은 밀봉링(102)의 직경을 확장하려는 성질의 힘을 포함하며, 제 2 스프링 시스템(도 3에 도시되지 않음)은 밀봉링(102)의 중량에 의해 유발되는 힘에 대항하도록 사용될 수 있다.
각각의 밀봉링(102)은 반경 방향 내부면(116)으로부터 연장하는 치형부(104)를 갖는 내부 링부(114)와, 케이싱(72)의 반경 방향 면과 접촉함으로써 유극 영역(110)의 제어를 용이하게 하는 반경 방향 외측면(130)을 포함한다. 또한, 각각의 밀봉링(102)은 케이싱 홈(112) 내에 위치되는 외부 링부(120)를 포함한다. 외부 링부(120)는 내부 원주 방향 면(122)과 맞은편의 반경 방향 외부면(131)을 포함한다. 내부 원주 방향 면(122)은 밀봉링(102)의 반경 방향 내측 이동이 제한되도록, 케이싱 홈 어깨부(124)의 외부면(126)의 상부 립과 접촉한다. 또한, 밀봉링(102)은 밀봉링 내부 링부(114)와 밀봉링 외부 링부(120) 사이에서 연장하는 목부(128)를 포함한다. 케이싱 홈 어깨부(124)는 밀봉링 목부(128)와 상호작용하여 밀봉링(102) 각각을 축선 방향으로 위치시킨다. 밀봉링 목부(128)는 케이싱 홈 어깨부(124)와 접촉하는 접촉 압력면(132)을 포함한다.
래비린스 밀봉 조립체(100)를 통한 하나의 증기 유동 경로는 고압 영역(106)으로부터 유극 영역(110) 및 치형부(104)와 회전자 축면(107, 109) 사이를 통해 저압 영역(108)까지 형성된다. 증기 유동이 밀봉링(102)의 반경 방향 위치설정의 함수로서 조절된다. 밀봉링(102)이 반경 방향 외측으로 이동함에 따라, 유극 영역(110)의 전체 크기는 증가하고 유극 영역(110)을 통한 증기 유동은 증가한다. 이와 반대로, 밀봉링(102)이 반경 방향 내측으로 이동함에 따라, 유극 영역(110)은 감소하고 유극 영역(110)을 통한 증기 유동은 감소한다.
제 2 증기 유동 경로는 고압 환형 공간(134)으로부터 케이싱 홈(112)을 통해 저압 환형 공간(136)에 이르도록 형성된다. 고압의 증기는 환형 공간(134)으로부터 케이싱 홈 어깨부(124)와 밀봉링 목부(128) 사이에 형성되는 환형 개구(140)를 통해 유동할 수 있다. 증기는 케이싱(72)과 밀봉링 외부 링부(120)에 의해 형성되는 케이싱 홈 고압 부분(144)으로 진입하기에 앞서, 케이싱 홈 어깨부 외부면(126)과 밀봉링 외부 링부 링 원주 방향 면(122) 사이에 형성되는 고압 영역(142)으로 개구(140)를 통해 안내된다. 증기는 케이싱 홈 고압 부분(144)을 나와서 케이싱 홈 반경 방향 외부면(146)과 밀봉링 외부 반경 방향 외부면(131) 사이에 형성되는 케이싱 홈 반경 방향 외부 부분(148)으로 진입한다. 그 후, 증기는 케이싱(72)과 밀봉링 외부 링부(120)에 의해 형성되는 저압 부분(150) 및 케이싱 홈 어깨부 외부면(126)과 밀봉링 외부 링부 내부 원주 방향 면(122) 사이에 형성되는 저압 측면 어깨부 영역(152)으로 흐를 수 있다. 증기는 케이싱 홈 어깨부(124)와 밀봉링 목부(128) 사이에 형성되는 환형 개구부(154)를 통해 저압 측면 어깨부 영역(152)을 벗어나며, 상기 증기는 환형 공간(136) 내로 방출된다.
밀봉링(102)의 반경 방향 외측 이동은 밀봉링 외부면(130) 또는 그 소정의 부분이 케이싱 반경 방향면(118)에 접촉할 때 제한된다. 이러한 위치는 완전 수축 위치로 언급된다. 밀봉링(102)의 반경 방향 내측 이동은 밀봉링 표면(122)이 케이싱 홈 어깨부 표면(126)의 상부 립과 접촉할 때 제한된다. 이러한 위치는 도 3에 도시된 바와 같이 전체 삽입 위치로서 언급된다. 회전자 축(60)과 케이싱(72)의 예상되는 일시적인 오정렬을 수용하기에 충분한 공간이 치형부(104)에 손상을 발생 시킴이 없이 제공된다.
저부하 또는 무부하 작동 상태에서, 밀봉링(102)의 중량, 케이싱(72)의 한정적 제한, 마찰력 및 다수의 편향 스프링 시스템(도 3에 도시되지 않음)의 힘이 밀봉링(102)에 작용한다. 전체적인 효과는 밀봉링(102)이 상기 밀봉링(102)의 이동의 반경 방향 외측 제한에 의해 제한되는 직경으로 편향된다는 점이다.
터빈(10) 전체의 내부 압력은 실질적으로 부하에 비례한다. 부하 및 증기 질량 유량 각각이 증가됨에 따라, 국부적 압력은 실질적으로 선형으로 증가한다. 이러한 관계는 미리 설정된 터빈 작동 조건에서 밀봉링(102)의 요구되는 위치를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 터빈(10)으로의 증기 유동이 증가됨에 따라, 환형 공간(134) 및 케이싱 홈(112) 내의 증기 압력은 유사하게 증가된다. 증가된 증기 압력은 실질적으로 밀봉링 외부면(130, 131)에 의해 지지되는 밀봉링(102)에 반경 방향 내측으로의 힘을 가한다.
고압 영역(106)의 증가된 증기 압력은 환형 공간(134), 환형 개구(140), 어깨부 영역(142), 케이싱 홈 고압 부분(144), 케이싱 홈 반경 방향 외부 부분(148), 케이싱 홈 저압 부분(150), 어깨부 영역(152) 및 환형 개구(154)를 통해 케이싱 홈(112)을 지나 환형 영역(136)으로의 증가된 증기 흐름을 유발한다. 또한, 고압 영역(106)의 증가된 증기 압력은 전술한 바와 같이 환형 공간(134)로부터 케이싱 홈(112)을 지나 환형 공간(136)에 이르도록 형성되는 경로 내의 증가된 압력을 유 발한다. 상기 경로의 후속하는 각각의 영역의 압력은 그들의 선행 영역보다 낮다. 예를 들어, 케이싱 홈 저압 부분(150)의 증기 압력은 케이싱 홈 고압 부분(144)의 증기 압력보다 낮다. 이러한 압력차는 밀봉링 목부(128), 밀봉링 외부 링부(120) 및 밀봉링 내부 링부(114) 상의 우측으로의 증가된 힘을 유발한다. 이러한 면 상의 증가된 힘은 밀봉링 목부 접촉 압력면(132)이 케이싱 홈 어깨부(124)와 접촉할 때까지, 밀봉링(124)이 저압 영역(108)을 향해 축선 방향으로 이동하도록 한다. 완전히 삽입될 때, 고압 환형 공간(134)으로부터 케이싱 홈(112)을 지나 저압 환형 공간(136)으로의 전체 삽입 증기 유동은 실질적으로 밀봉링(102)에 의해 방지된다.
전술된 조건은 증기 압력이 전술된 바와 같이 면(130, 131)으로의 반경 방향 내측으로의 증가된 힘을 유발하도록 한다. 또한, 증가된 증기 압력은 앞서 개시된 마찰력 및 다수의 편향 스프링 서브-시스템(도시되지 않음) 힘을 극복하기 위해 밀봉링(102)으로의 반경 방향 내측으로 증가된 힘을 유발한다.
밀봉링(102) 및 케이싱 홈(112)의 직경은 부하가 걸린 정상 상태 작동을 위해 치형부(104)와 회전자 축(60) 사이에 형성되는 유극(110)을 최적화하는 것을 유용하게 하도록 선택된다.
도 4는 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템(200)의 전형적인 실시예이다. 서브-시스템(200)은 패킹 케이싱(72) 내로 삽입되는 적어도 하나의 나사(204)를 포함한다. 밀봉링 외부 링부(120)는 미리 정해진 축선 방향, 반경 방향 및 아크 방향(arcual) 치수를 갖는 홈(206)을 포함한다. 미리 정해진 축선 방향, 반경 방향 및 아크 방향 치수를 갖는 밀봉링에 대한 편향 스프링 환형 부착 홈(208)은 밀봉링 외부 링 홈(206) 내에 위치된다. 헬리컬 편향 스프링(202)의 일단부는 홈(208) 내로 삽입되고, 스프링(202)은 밀봉링 외부 링부(120)에 고정적으로 부착된다. 편향 스프링(202)의 제 2 단부는 상기 스프링(202)이 케이싱 홈(112) 내에 위치되도록 나사(204)에 고정적으로 부착된다. 다수의 편향 스프링(202)의 사용을 포함하는 다중 스프링 배열은 비-균일 반경 방향 힘 및 이에 따른 밀봉링(102)의 변위를 최소화하기 위해 사용될 수 있다.
밀봉링 조립체(200)의 작동은 전술된 래비린스 밀봉 조립체(100)의 작동과 실질적으로 유사하다. 두 작동 사이의 하나의 차이점은 편향 스프링(202)에 의해 밀봉링(102) 상에 유발되는 외측 방향 편향력이다. 추가적인 외측 방향 편향력은 밀봉링(102)을 더 큰 직경으로 편향시키는 것을 보조한다. 터빈 부하 및 증기 압력이 증가됨에 따라, 스프링(202)에 의해 유발되는 반경 방향 외측 힘은 반경 방향 내측으로 이동하는 밀봉링(102)에 앞서 극복되어야 한다. 결과적으로, 밀봉링(102)의 반경 방향 내측으로의 이동은 터빈(10)에 대해 미리 결정된 작동 조건이 성취될 때까지 연기된다.
도 5는 전형적인 대안예인 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템(300)이다. 서브-시스템(300)은 패킹 케이싱(72) 내의 스프링 경로(304)를 포함한다. 밀봉링 외부 링부(120)는 미리 결정된 축선 방향, 반경 방향 및 아크 방향 치수를 갖는 홈(206)을 수용한다. 미리 결정된 축선 방향, 반경 방향 및 아크 방향 치수를 갖는 편향 스프링에 대한 밀봉링 환형 부착 홈(208)은 밀봉링 외부 링 홈(206) 내에 위치된다. 헬리컬 편향 스프링(302)의 일단부는 상기 홈(208) 내로 삽입되고, 밀봉링 외 부 링부(120)에 고정적으로 부착된다. 스프링 후크 장치(312)는 케이싱 홈 반경 방향 외측면의 홈(310)을 통해 케이싱(72)에 고정적으로 부착되는 편향 스프링(302)의 제 2 단부에 부착된다. 커버 플레이트(306)는 다수의 패스너(308)를 통해 케이싱(72)의 최외측 방향 면에 결합된다. 스프링(302)은 스프링 경로(304)에 현수된다. 다수의 편향 스프링(302)의 사용을 포함하는 다중 스프링 배열은 비-균일 반경 방향 힘 및 결과적인 밀봉링(102)의 변위를 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 편향 스프링(302)에 유발되는 인장력은 미리 결정된 터빈 작동 조건에 대한 미리 결정된 밀봉링 위치에 기초한다.
대안적 서브-시스템(300)의 작동은 서브-시스템(200)과 동일하다.
본원에서 설명된 밀봉링 조립체는 회전자 축과 패킹 케이싱 사이의 증기 누설에 대한 제어를 용이하게 한다. 더욱 구체적으로, 밀봉링은 밀봉체의 유극이 작동 개시, 작동 정지 또는 저부하 상태 동안 커지고, 중간 부하에서 고부하의 작동 동안 작아지게 할 것이다. 결과적으로, 밀봉체 손상에 의해 야기되는 터빈 유지보수 비용이 증가된 작동 효율의 악화는 감소되거나 제거될 수 있다.
도 6은 또 다른 예인 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템(350)이다. 서브-시스템(350)은 도 4에서 전술된 서브-시스템(200)과 유사하다. 특히, 서브-시스템(350)은 내부에 나사(204)를 갖는 패킹 케이싱(72) 내에 위치되는 나사산 삽입부(351)를 포함한다. 유사하게, 외측 링부(120)는 홈(206) 및 환형 부착 홈(208)을 포함한다. 스프링(202)의 일단부는 홈(208) 내로 삽입되고, 타단부는 나사(204)에 부착된다. 그러나 본 예에서, 나사(204)는 정밀 어깨부(352)를 포함한 다. 정밀 어깨부(352)는 나사(204)가 나사산 어깨부(351) 내로 완전히 회전될 수 있도록 하는 반면, 스프링(202)이 부착점을 중심으로 회전될 수 있도록 한다. 유사하게, 스프링(202)은 나사(204) 주위에 소정량의 유극을 갖는다. 따라서, 서브-시스템(350)은 서브-시스템(200)과 유사한 방식으로 작동한다. 다중 스프링(202)이 여기에 사용될 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예인 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템(360)을 도시한다. 서브-시스템(360)은 정밀 어깨부(352)가 사용될 수 있는 것으로 전술된 서브-시스템(350)과 유사하다. 본 예에서, 플레이트(362)는 외부 링부(120)에 부착된다. 플레이트(362)는 제 1 구멍(364) 및 제 2 구멍(366)을 포함한다. 스프링(202)은 제 1 및 제 2 구멍(364, 366) 내에 상기 구멍을 통해 위치된다. 제 1 구멍(364)은 관통하여 지날 수 있도록 제 2 구멍(366)보다 더 넓을 수 있다. 비록, 플레이트(362)가 평편하게 도시되어 있지만, 실제로는 그 길이를 따라 만곡될 수 있다. 하나 이상의 스프링(202)이 플레이트(362)의 길이를 따라 사용될 수 있다.
도 8은 추가적인 예인 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템(370)이다. 본 예에서, 스프링(202)은 전술된 정밀 어깨부(352)를 포함한다. 이와 유사하게, 외측 링부(120)는 홈(206) 및 부착 홈(208)을 포함하며, 전술된 플레이트(362)와 같은 플레이트가 사용될 수 있다. 본 예에서, 스프링(202)은 로드(372)를 통해 제 위치에 유지된다. 상기 로드(372)는 태킹(tacking), 용접, 나사 등과 같은 종래의 부착 방법을 통해 플레이트(362) 또는 외측 링부(120)에 부착될 수 있다. 로드(372)는 스프링(202)을 부착하기 위한 홈을 그 내부에 가질 수 있다. 다중 스프링(202)이 그 내부에 사용될 수 있다.
도 9는 추가 실시예인 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템(380)을 도시한다. 서브-시스템(380)은 정밀 어깨부(352) 및 로드(372)가 사용된 것으로 전술된 서브-시스템(370)과 유사하다. 로드(372)는 스프링(202)을 부착하기 위해 내부에 위치되는 홈(374)을 갖는다. 본 예에 있어서, 로드(372)는 고정되는 것과는 반대로 홈(208) 내로 활주된다. 스프링(202)은 더 적은 응력/힘의 위치로 이동할 것이며, 이에 따라 나사(204)와 반경 방향으로 정렬할 것이다. 따라서, 본 예는 전술된 예와 비교하여 보다 적은 수의 부품의 사용을 필요로 한다. 다중 스프링(202)이 내부에 사용될 수 있다.
도 10은 또 다른 실시예인 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템(400)이다. 서브-시스템(400)은 패킹 케이싱(72)을 관통하는 스프링 경로(304)를 포함하는 전술된 서브-시스템(300)과 유사하다. 스프링(302)은 스프링 경로(304) 내에 현수되고, 스프링 후크 장치(312), 홈(310) 및 커버 플레이트(306)를 통해 일단부 상에 부착된다. 그러나 본 예에서, 스프링(302)의 타단부는 도 9에 도시된 것과 유사한 방식으로 상기 홈(208) 내에 위치되는 로드(402)에 부착된다. 유지 플레이트는 상기 스프링(302)이 홈(208)으로부터 돌출되는 것을 방지하도록 사용될 수 있다. 그러나 탄성력만으로 스프링(302)을 제 위치에 유지하는 것이 충분하여야 한다. 유지 플레이트는 어떠한 스프링 편(piece)도 터빈 증기 경로 내로 진입하는 것을 방지할 것이다. 다중 스프링(202)이 내부에 사용될 수 있다.
도 11은 또 다른 실시예인 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템(410)을 도시한 다. 서브-시스템(410)은 전술된 서브-시스템(400)과 유사하지만, 나사(412) 및 정밀 어깨부(414)를 구비한다. 본 실시예는 서브-시스템(350)에 도시된 것과 유사하다. 다중 스프링(202)이 내부에 사용될 수 있다.
유사한 실시예는 스프링 경로(304)를 갖지만, 외부 링부(120)와의 상이한 부착 수단을 갖는 스프링(302)의 사용을 포함한다. 예를 들어, 스프링(302)은 도 7에 도시된 바와 같이 구멍(364, 366)을 갖춘 플레이트(362)와 함께 사용될 수 있다. 유사하게, 도 8에 도시된 바와 같이 서브-시스템(370)의 부착 로드(372)가 사용될 수 있다. 또한, 서브-시스템(380) 내의 도시된 바와 같은 로드(372)가 그 내부에 사용될 수 있다.
도 12는 추가적인 예로서 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템(420)을 도시한다. 서브-시스템(420)은 로드(372)가 홈(208) 내에 위치된다는 점에서 도 9에 도시된 서브-시스템(380)과 유사하다. 그러나 본 예에서, 케이싱(72)은 홈(422)을 포함한다. 로드(424)는 동일한 로드 및 홈이 서로 대면하게 설계되도록, 홈(422) 내에 위치되고, 스프링(202)에 부착된다. 다중 스프링(202)이 그 내부에 사용될 수 있다. 유사하게, 하나 이상의 플레이트(362)가 로드(372)의 제 위치에 사용될 수 있다.
도 13은 추가적인 예로서 밀봉링 편향 스프링 서브-시스템(430)을 도시한다. 본 예에서, 나사산 삽입부(432)는 패킹 케이싱(72) 내에 위치된다. 나사산 삽입부(432)는 그 내부에 위치되는 제 1 경로(434)를 갖는다. 스프링(202)은 나사산 삽입부(432)의 상부면(436) 위에서 제 1 경로(434)를 통해 연장할 수 있으며, 그 후에 제 2 경로(438) 내에 고정될 수 있다. 나사산 삽입부(432)의 높이는 탄성력 및 그에 따라 작동 압력을 “조절”하기 위해 변경될 수 있다. 스프링(202)의 타단부는 소정의 전술된 연결 수단 내의 외부 링부(120)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 스프링(302)은 도 7에 도시된 바와 같이, 구멍(364, 366)을 갖춘 플레이트(362)와 함께 사용될 수 있다. 유사하게, 도 8에 도시된 바와 같이 서브-시스템(370)의 부착 로드(372)가 사용될 수 있다. 또한, 서브-시스템(380)의 도시된 로드(372)가 그 내부에 사용될 수도 있다. 다중 스프링(202)이 그 내부에 사용될 수 있다.
비록, 본원에 설명 및/또는 도시된 방법 및 시스템이 회전기, 보다 구체적으로는 증기 터빈에 관해서 설명 및/또는 도시되지만, 본원에 설명 및/또는 도시되는 방법 및 시스템의 실시는 일반적으로 증기 터빈이나 회전기에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 본원에서 설명 및/또는 도시되는 방법 및 시스템은 소정의 기계 상에 소정의 밀봉 배열체를 조립하는데에 적용될 수 있다.
밀봉 배열체의 전형적인 실시예는 위에서 상세하게 설명되고 있다. 방법, 장치 및 시스템은 본원에서 설명된 특정 실시예 및 조립된 특정 밀봉 배열체에 한정되지 않으며, 오히려 밀봉 배열체는 본원에 설명된 다른 방법, 장치 및 시스템과 독립적 및 별개로 사용될 수 있으며, 본원에 설명되지 않은 밀봉 배열체와 조립될 수 있다. 예를 들어, 또 다른 밀봉 배열체가 본원에 설명된 방법을 사용하여 조립될 수 있다.
본 발명이 여러 특정 실시예에 관하여 설명되고 있지만, 당업자로서는 본 발 명이 특허청구범위의 취지 및 범위 내에서 개조되어 실시될 수 있다는 것을 인지할 것이다.
본 발명에 따르면, 터빈 내의 증기 경로 누설로 인한 터빈 효율 저하를 방지함과 동시에 제조 비용 및 연료 비용을 저감할 수 있는 편향 시스템을 얻을 수 있다.

Claims (9)

  1. 패킹 케이싱(72) 및 밀봉링(120)용 편향 시스템(350)에 있어서,
    상기 패킹 케이싱(72) 내에 위치되고, 정밀 어깨부(352)를 포함하는 나사(204)와,
    제 1 단부에서 상기 정밀 어깨부(352)에 부착되고, 제 2 단부에서 상기 밀봉링(120)에 부착되는 스프링(202)을 포함하는
    편향 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉링(120)은 그 내부에 홈(208)을 포함하고, 상기 스프링(202)은 상기 홈(208)을 통해 상기 밀봉링(120)에 부착되는
    편향 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉링(120)은 상기 밀봉링에 부착되는 편평한 플레이트(362)를 포함하고, 상기 스프링(202)은 상기 편평한 플레이트(362)를 통해 상기 밀봉링(120)에 부착되는
    편향 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 편평한 플레이트(362)는 다수의 구멍(364, 366)을 포함하고, 상기 스프링(202)은 상기 다수의 구멍(364, 366)을 통해 연장하는
    편향 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉링(120)은 상기 밀봉링에 부착되는 로드(372)를 포함하고, 상기 스프링(202)은 상기 로드(372)를 통해 상기 밀봉링(120)에 부착되는
    편향 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 밀봉링(120)은 그 내부에 홈(208)을 포함하고, 상기 로드(372)는 상기 홈(208)에 부착되는
    편향 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 밀봉링(120)은 상기 밀봉링에 부착되는 편평한 플레이트(362)를 포함하고, 상기 로드(372)는 상기 편평한 플레이트(362)에 부착되는
    편향 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉링(120)은 그 내부에 홈(208)을 포함하고, 상기 홈(208) 내에 활주 가능하게 위치되는 로드(372)를 더 포함하는
    편향 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 패킹 케이싱(72)은 상기 패킹 케이싱을 통해 연장하는 스프링 경로(304)를 포함하고, 상기 스프링(202, 302)은 상기 스프링 경로(304)를 통해 연장하는
    편향 시스템.
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