KR20210021584A

KR20210021584A - 증기 터빈의 다이어프램 제조 방법

Info

Publication number: KR20210021584A
Application number: KR1020217002419A
Authority: KR
Inventors: 다카노리 가와노; 나오토 구보; 노조무 오가사와라
Original assignee: 미츠비시 파워 가부시키가이샤
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2021-02-26
Also published as: US20210285339A1; KR102425244B1; DE112019003330T5; US11168587B2; JP7076390B2; WO2020174801A1; CN112513425A; CN112513425B; JP2020139443A

Abstract

다이어프램 내륜, 다이어프램 외륜 및 날개부가 일체로 형성된 증기 터빈용의 다이어프램에 있어서, 라디알 스필 스트립 구조의 시일핀을 유지하는 콜렉터 링, 상기 다이어프램 외륜 및 상기 콜렉터 링 사이에 개재하는 어댑터 링을 구비하고, 상기 콜렉터 링 및 상기 어댑터 링은 상기 다이어프램 외륜보다도 외경이 크고, 상기 다이어프램 외륜 및 상기 어댑터 링이 복수의 제1 볼트로 연결되고, 상기 다이어프램 외륜 및 상기 어댑터 링의 대향면이 서로 밀착되어 시일되어 있으며, 상기 콜렉터 링 및 상기 어댑터 링이 상기 시일핀보다도 외주측의 위치에서 복수의 제2 볼트로 연결되어 있다.

Description

증기 터빈의 다이어프램 제조 방법

본 발명은, 증기 터빈의 다이어프램 제조 방법에 관한 것이다.

증기 터빈에서는, 다이어프램 외륜과 동익 선단의 간극을 시일하는 시일핀을 다이어프램 외륜에 심은 구조가 채용되는 경우가 있다(특허문헌 1 등을 참조).

일본 특허 공개 제2016-194306호 공보

증기 터빈에서는, 다이어프램에서 열낙차를 갖게 하고, 특히 증기 터빈의 하류측에 있어서 증기가 응축되어 많은 드레인이 발생한다. 발생한 드레인이 다이어프램의 하류측의 동익에 충돌하면, 동익에 에로전이 발생할 우려가 있다. 드레인은 다이어프램 외륜 측면 및 둘레 방향을 따라서 운반되기 때문에, 동익의 선단에 드레인을 닿게 하지 않고 수집하는 것을 목적으로 하여 콜렉터 링을 설치하고 있다. 그러나, 유선을 따라서 운반된 드레인의 일부가 동익에 충돌하여 부착되고, 또한 동익에 부착된 드레인이 원심력에 의해 직경 방향 외측으로 비산하기 때문에, 특히 동익에 대향하는 시일핀 부근에서 콜렉터 링 내면의 에로전 발생이 염려된다.

운전 중, 증기 터빈의 습윤 단락에 있어서는, 동익 표면에 부착된 드레인이 원심력으로 직경 방향 외측으로 비산하기 때문에, 특히 동익에 대향하는 시일핀의 부근에서 다이어프램 외륜에 에로전이 발생하는 경우가 있다. 여기에서 시일핀을 유지하는 부위를 콜렉터 링으로서 별도 부재화하고, 이것을 다이어프램 외륜에 볼트로 연결하는 경우가 있다. 이 구성의 경우, 동익의 대향부의 에로전이 진행된 경우, 다이어프램 전체를 신제품과 교환하지 않아도, 에로전이 진행된 콜렉터 링만을 교환하면 된다.

여기서, 종래 구조의 기존의 증기 터빈에는 콜렉터 링에 대하여 시일핀을 내경측에서 심어 코오킹한 것이 있지만, 콜렉터 링과 시일핀이 걸림 결합하는 코오킹 부분이, 동익으로부터 비산해오는 드레인에 직접 노출되게 된다. 이러한 시일핀과 콜렉터 링의 걸림 결합부의 신뢰성 향상의 하나로서, 시일핀의 라디알 스필 스트립(RSS) 구조화를 들 수 있다.

그러나, RSS 구조의 시일핀은, 동 클래스의 심기형의 시일핀에 비해 콜렉터 링에 삽입되는 루트부(根部)가 크다. 시일핀을 RSS 구조화하는 경우, 대형화한 시일핀의 루트부와의 간섭을 피하기 위해 콜렉터 링과 다이어프램 외륜을 연결하는 볼트의 피치 원 직경(P.C.D.)을 확대할 필요가 있다. 단, 기존의 다이어프램 외륜의 외경에 볼트의 P.C.D의 확대를 허용하는 만큼의 두께가 확보되어 있지 않거나, 혹은 슬릿과 간섭하는 경우가 있다. 이 경우, 확대한 볼트의 P.C.D.을 허용하는 다이어프램 외륜을 새롭게 제조할 필요가 있지만, 다이어프램 외륜은 일체 구성의 다이어프램의 일부이다. 그 때문에, 다이어프램 외륜의 외경을 확대하는 데 있어서, 현상황에서는 장기간의 공사 기간을 소용하여 날개부나 다이어프램 내륜을 포함한 다이어프램 전체를 새롭게 제조하고 있는 것이 실정이다.

본 발명의 목적은, 시일핀의 고정 구조의 신뢰성을 높임과 함께 공사 기간의 대폭적인 단축을 기대할 수 있는 구조의 증기 터빈 및 다이어프램의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 다이어프램 내륜, 다이어프램 외륜 및 날개부가 일체로 형성된 증기 터빈용의 다이어프램에 있어서, 상기 다이어프램 외륜의 하류측에 배치된 콜렉터 링, 상기 콜렉터 링에 끼워 넣어진 라디알 스필 스트립 구조의 시일핀, 및 상기 다이어프램 외륜 및 상기 콜렉터 링 사이에 개재하는 어댑터 링을 더 구비하고, 상기 다이어프램 외륜 및 상기 어댑터 링은 하류측으로부터 축방향으로 삽입된 복수의 제1 볼트로 연결되고, 상기 다이어프램 외륜 및 상기 어댑터 링의 대향면이 서로 밀착되어 시일되어 있으며, 상기 콜렉터 링 및 상기 어댑터 링은 상기 다이어프램 외륜보다도 외경이 크고, 상기 시일핀보다도 외주측의 위치에서 하류측으로부터 축방향으로 삽입된 복수의 제2 볼트로 연결되어 있다.

본 발명에 따르면, 시일핀의 고정 구조의 신뢰성을 높임과 함께 공사 기간의 대폭적인 단축을 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 증기 터빈 설비의 모식도
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 증기 터빈의 단면도
도 3은 도 2 중의 III부의 확대도이며 본 발명의 일 실시 형태에 관한 다이어프램의 주요부 구조를 나타내는 도면
도 4는 본 발명의 다이어프램 제조 방법의 적용의 판단 수순을 나타내는 흐름도
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 다이어프램의 제조 방법의 설명도이며 개조 전의 다이어프램을 나타내는 도면
도 6은 비교예에 관한 제조 방법에 의해 도 3의 다이어프램을 개조하여 제작한 다이어프램의 구조를 나타내는 도면

이하에 도면을 사용하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다.

-증기 터빈 발전 설비-

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 증기 터빈 설비의 모식도이다. 동도에 나타낸 증기 터빈 발전 설비(100)는, 증기 발생원(1), 고압 터빈(3), 중압 터빈(6), 저압 터빈(9), 복수기(11) 및 부하 기기(13)를 구비하고 있다. 이하, 각 터빈에 있어서 작동 유체인 증기의 흐름 방향을 기준으로 한다. 저압 터빈(9)(도 2)에서 보면, 작동 유체 유로 F를 흐르는 증기 S의 주류의 흐름 방향이 기준이다.

증기 발생원(1)은 보일러이며, 복수기(11)로부터 공급된 물을 가열하여, 고온 고압의 증기를 발생시킨다. 증기 발생원(1)에서 발생한 증기는, 주 증기관(2)을 통해 고압 터빈(3)에 유도되고, 고압 터빈(3)을 구동한다. 고압 터빈(3)을 구동하여 감압한 증기는, 고압 터빈 배기관(4)을 통해 증기 발생원(1)에 유도되고, 다시 가열되어 재열 증기가 된다.

증기 발생원(1)에서 생성된 재열 증기는, 재열 증기관(5)을 통해 중압 터빈(6)에 유도되고, 중압 터빈(6)을 구동한다. 중압 터빈(6)을 구동하여 감압한 증기는, 중압 터빈 배기관(7)을 통해 저압 터빈(9)에 유도되고, 저압 터빈(9)을 구동한다. 저압 터빈(9)을 구동하여 감압한 증기는, 디퓨저를 통해 복수기(11)에 유도된다. 복수기(11)는 냉각수 배관(도시하지 않음)을 구비하고 있고, 복수기(11)에 유도된 증기와 냉각수 배관 내를 흐르는 냉각수를 열교환시켜 증기를 응축한다. 복수기(11)에서 응축된 물은 급수 펌프 P에 의해 다시 증기 발생원(1)에 보내진다.

고압 터빈(3), 중압 터빈(6) 및 저압 터빈(9)의 터빈 로터(12)는 동축에 연결되어 있다. 부하 기기(대표적으로는 발전기)(13)는 터빈 로터(12)에 연결되어 있고, 고압 터빈(3), 중압 터빈(6) 및 저압 터빈(9)의 회전 출력에 의해 구동된다.

또한, 부하 기기(13)에는, 발전기 대신에 펌프가 채용되는 경우도 있다. 또한, 고압 터빈(3), 중압 터빈(6) 및 저압 터빈(9)을 구비한 구성을 예시하였지만, 예를 들어 중압 터빈(6)을 생략한 구성으로 해도 된다. 고압 터빈(3), 중압 터빈(6) 및 저압 터빈(9)으로 동일한 부하 기기(13)를 구동하는 구성을 예시하였지만, 고압 터빈(3), 중압 터빈(6) 및 저압 터빈(9)으로 각각 다른 부하 기기를 구동하는 구성이어도 된다. 고압 터빈(3), 중압 터빈(6) 및 저압 터빈(9)을 2개의 그룹(즉, 2개의 터빈과 하나의 터빈)으로 나누고, 그룹마다 각 하나의 부하 기기를 구동하는 구성으로 해도 된다. 또한, 증기 발생원(1)으로서 보일러를 구비하는 구성을 예시하였지만, 가스 터빈의 배열을 이용하는 폐열 회수 증기 발생기(HRSG)를 증기 발생원(1)으로서 채용하는 구성으로 해도 된다. 즉, 컴바인드 사이클 발전 설비이다. 원자로도 증기 발생원(1)의 일례로 들 수 있다.

-증기 터빈-

도 2는 저압 터빈(9)의 단면도이다. 동도에 도시한 바와 같이, 저압 터빈(9)은 상기 터빈 로터(12) 및 이것을 덮는 정지체(15)를 구비하고 있다. 정지체(15)의 출구에는 디퓨저가 배치되어 있다. 또한, 본원 명세서에서는, 터빈 로터(12)의 회전 방향을 「둘레 방향」, 터빈 로터(12)의 회전 중심선 C가 연장되는 방향을 「축방향」, 터빈 로터(12)의 반경 방향을 「직경 방향」이라 정의한다.

터빈 로터(12)는 로터 디스크(13a-13d) 및 동익(14a-14d)을 포함하여 구성되어 있다. 로터 디스크(13a-13d)는 축방향으로 겹쳐 배치한 원반상의 부재이다. 로터 디스크(13a-13d)는 스페이서(도시하지 않음)와 교대로 중첩되는 경우도 있다. 동익(14a-14d)은 각각 로터 디스크(13a-13d)의 외주면의 둘레 방향으로 등간격으로 복수 마련되어 있다. 동익(14a-14d)은 로터 디스크(13a-13d)의 외주면으로부터 직경 방향 외측으로 연장되고, 환상의 작동 유체 유로 F에 면해 있다. 작동 유체 유로 F를 흐르는 증기 S의 유체 에너지가 동익(14a-14d)에 의해 회전 에너지로 변환되고, 회전 중심선 C 둘레에 터빈 로터(12)가 일체로 회전한다.

정지체(15)는 케이싱(16) 및 다이어프램(17a-17d)을 포함하여 구성되어 있다. 케이싱(16)은 저압 터빈(9)의 외주벽을 형성하는 통상의 부재이다. 이 케이싱(16)의 내주부에 다이어프램(17a-17d)이 설치되어 있다. 다이어프램(17a-17d)은 세그먼트이며, 각각 다이어프램 외륜(18), 다이어프램 내륜(19) 및 복수의 날개부(20)를 포함하여 일체로 형성되어 있다. 다이어프램(17a-17d)이 각각 둘레 방향으로 복수 배열되어 환상을 구성한다.

다이어프램 외륜(18)은 그 내주면에서 작동 유체 유로 F의 외주를 획정하는 부재이며, 케이싱(16)의 내주면에 지지되어 있다. 다이어프램 외륜(18)은 환상을 이룬다. 본 실시 형태에 있어서, 다이어프램 외륜(18)의 내주면은 하류측(도 2 중의 우측 방향)을 향해 직경 방향 외측으로 경사져 있다. 다이어프램 내륜(19)은 그 외주면에서 작동 유체 유로 F의 내주를 획정하는 부재이며, 다이어프램 외륜(18)에 대하여 직경 방향 내측에 배치되어 있다. 다이어프램 내륜(19)은 환상(본 예에서는 원통상)을 이룬다. 날개부(20)는 둘레 방향으로 복수 배열하여 배치되고, 직경 방향으로 연장되어 다이어프램 내륜(19) 및 다이어프램 외륜(18)을 연결되어 있다.

또한, 다이어프램과 그 하류측에 인접하는 동익으로 하나의 단락을 구성한다. 본 실시 형태에서는, 다이어프램(17a)과 동익(14a)이 제1 단락(초단), 다이어프램(17b)과 동익(14b)이 제2 단락, 다이어프램(17c)과 동익(14c)이 제3 단락, 다이어프램(17d)과 동익(14d)이 제4 단락(최종단)이다.

-다이어프램 외륜-

도 3은 도 2 중의 III부의 확대도이며 본 발명의 일 실시 형태에 관한 다이어프램의 주요부 구조를 나타내는 단면도이다. 이하에 설명하는 구조는, 적어도 하나의 단락(예를 들어 동익 표면에 드레인이 부착되기 쉬운 습윤 단락, 대표적으로는 저압 터빈(9)의 최종단)의 다이어프램(17d)에 적용된다. 저압 터빈(9)에 있어서 제4 단락 이외의 단락의 다이어프램에의 적용 가능성은 하류측의 단락일수록 높고, 즉 다이어프램(17c, 17b, 17a)의 순으로 적용 가능성이 높다. 도 3을 사용하여 저압 터빈(9)의 제4 단락의 다이어프램(17d)을 적용 대상으로 한 경우를 예시하여 설명하지만, 다른 단락의 다이어프램에 적용하는 경우도 마찬가지의 구조이다. 필요한 경우에는, 고압 터빈(3)이나 중압 터빈(6)의 다이어프램에도 적용 가능하다.

도 3에 도시한 바와 같이, 다이어프램(17d)에는, 다이어프램 외륜(18), 다이어프램 내륜(19)(도 2), 날개부(20)에 더하여, 콜렉터 링(21), 시일핀(22) 및 어댑터 링(23)이 구비되어 있다.

콜렉터 링(21)은 다이어프램 외륜(18)의 하류측에 배치되어 시일핀(22)을 유지하는 환상의 부재이며, 둘레 방향으로 복수 분할되어 있다(예를 들어 상반부와 하반부로 2분할, 혹은 4-6개로 분할되어 있음). 콜렉터 링(21)의 외경(R1)은 다이어프램 외륜(18)의 하류측 단부의 외경(R0)보다도 크다. 콜렉터 링(21)의 내경에 대하여는, 다이어프램 외륜(18)의 하류측 단부의 내경과 동일한 정도이다. 또한 콜렉터 링(21)의 상류측 단부면(21a)과 하류측 단부면(21b)은, 터빈 로터(12)의 회전 중심선 C(도 2)와의 직교면에 평행한 평탄면이다.

콜렉터 링(21)의 내주면에는, 둘레 방향으로 연장되는 슬릿(24)이 마련되어 있다. 슬릿(24)은 직경 방향으로 연장되는 레이디얼 홈(24a)과 축방향으로 연장되는 액셜 홈(24b)으로 단면이 T자형으로 형성되어 있다. 레이디얼 홈(24a)에는, 시일핀(22)의 축방향으로의 움직임을 구속하는 역할이 있다. 액셜 홈(24b)에는, 시일핀(22)의 직경 방향으로의 움직임을 구속하는 역할이 있다. 액셜 홈(24b)은 콜렉터 링(21)의 내주면보다도 직경 방향 외측에 위치하고 있으며, 작동 유체 유로 F에 대하여 콜렉터 링(21)의 구조재로 이격되어, 작동 유체 유로 F에는 면해 있지 않다.

콜렉터 링(21)에는, 축방향으로 관통하는 관통 구멍(25)이 둘레 방향으로 간격을 두고 마련되어 있다. 관통 구멍(25)에는, 콜렉터 링(21)의 하류측 단부면측에 나사머리 자리(25a)가 마련되어 있다. 나사머리 자리(25a)를 포함하여 관통 구멍(25)은, 슬릿(24)에 간섭하지 않거나 혹은 두께가 부족해지지 않도록, 전부가 슬릿(24)보다도 직경 방향 외측에 위치하고 있다. 또한 관통 구멍(25)의 적어도 일부는, 다이어프램 외륜(18)의 하류측 단부의 외경보다도 외측에 위치하고 있다. 회전 중심선 C(도 2)를 중심으로 하는 관통 구멍(25)의 피치 원 직경(P.C.D.) D1은, 후술하는 관통 구멍(26)의 피치 원 직경 D2보다도 크게 설정되어 있다(관통 구멍(25)의 피치 원은 관통 구멍(26)의 피치 원보다도 직경 방향 외측에 위치하고 있다).

시일핀(22)은 콜렉터 링(21)의 내주면으로부터 직경 방향 내측으로 돌출되어 동익(14d)의 선단부면과 콜렉터 링(21)의 내주면의 간극을 시일한다. 이 시일핀(22)은 환상의 부재이지만, 둘레 방향으로 복수 분할되어 있다(예를 들어 상반부와 하반부로 2분할, 혹은 4-6개로 분할되어 있음). 시일핀(22)에는 콜렉터 링(21)의 슬릿(24)에 맞추어 단면이 T자형으로 형성된 라디알 스필 스트립(RSS) 구조의 루트부(22a)가 구비되어 있다. 상기 슬릿(24)에 둘레 방향으로부터 루트부(22a)를 끼워 넣음으로써 콜렉터 링(21)의 내주부에 시일핀(22)이 고정되어 있다.

또한, 도 3에서는 운전 정지 시의 상태를 나타내고 있고, 시일핀(22)이 동익(14d)보다도 하류측에 위치하고 있지만, 운전 중에는 터빈 로터(12)가 열신장됨으로써 시일핀(22)과 동익(14d)의 축방향 위치가 겹친다. 또한 도 3에서는 핀이 1열인 시일핀(22)을 예시하고 있지만, 축방향으로 핀을 복수열 설치하는 경우에는, 시일핀(22)의 구조를 축방향으로 복수열의 핀을 구비한 구조로 대신함으로써 대응할 수 있다.

어댑터 링(23)은 다이어프램 외륜(18) 및 콜렉터 링(21) 사이에 개재하고, 콜렉터 링(21)에 대하여 소경의 다이어프램 외륜(18)에 콜렉터 링(21)을 설치하기 위한 링이다. 이 어댑터 링(23)은 이음매가 없는 일체의 링인 것이 바람직하지만, 콜렉터 링(21)과 마찬가지로 둘레 방향으로 복수 분할된 구조(예를 들어 상반부와 하반부로 2분할, 혹은 4-6개로 분할된 구조)여도 된다. 또한 어댑터 링(23)은 콜렉터 링(21)과 동일한 정도의 외경이며, 다이어프램 외륜(18)의 하류측 단부보다도 외경이 크다. 어댑터 링(23)의 내경에 대하여는, 다이어프램 외륜(18)의 하류측 단부의 내경과 동일한 정도이다. 어댑터 링(23)의 상류측 단부면(23a)과 하류측 단부면(23b)은 터빈 로터(12)의 회전 중심선 C(도 2)와의 직교면에 평행한 평탄면이다.

어댑터 링(23)의 하류측 단부면(23b)에는, 콜렉터 링(21)의 관통 구멍(25)에 대응하여 둘레 방향으로 간격을 두고 볼트 구멍(나사 구멍)(27)이 마련되어 있다. 또한, 어댑터 링(23)에는, 축방향으로 관통하는 관통 구멍(26)이 둘레 방향으로 간격을 두고 마련되어 있다. 이들 관통 구멍(26)의 위치는, 다이어프램 외륜(18)의 하류측 단부면(18a)에 둘레 방향으로 간격을 두고 마련한 볼트 구멍(나사 구멍)(28)에 대응하고 있다. 다이어프램 외륜(18)의 하류측 단부면(18a)도 회전 중심선 C와의 직교면에 평행한 평탄면이다. 각 관통 구멍(26)에는, 어댑터 링(23)의 하류측 단부면측에 나사머리 자리(26a)가 마련되어 있다. 전술한 바와 같이 회전 중심선 C(도 2)를 중심으로 하는 관통 구멍(26)의 피치 원 직경 D2는 콜렉터 링(21)의 관통 구멍(25)의 피치 원 직경 D1(즉, 볼트 구멍(27)의 피치 원 직경)보다도 작다. 본 실시 형태에 있어서, 어댑터 링(23)의 관통 구멍(26) 또는 나사머리 자리(26a)는, 적어도 부분적으로 시일핀(22)의 루트부(22a)와 직경 방향의 위치가 겹쳐 있다. 즉, 어댑터 링(23)의 관통 구멍(26) 또는 나사머리 자리(26a)의 적어도 일부가, 축방향에서 보아 시일핀(22)의 루트부(22a)에 겹쳐 있다.

다이어프램 외륜(18) 및 어댑터 링(23)은 하류측으로부터 축방향으로 삽입된 복수의 제1 볼트(31)로 연결되어 있다. 제1 볼트(31)는 예를 들어 육각 구멍 구비 볼트이며, 어댑터 링(23)의 관통 구멍(26)을 통해 다이어프램 외륜(18)의 볼트 구멍(28)에 비틀어 넣어져 있다. 제1 볼트(31)의 헤드부는 어댑터 링(23)의 나사머리 자리(26a)에 수납되고, 어댑터 링(23)의 하류측 단부면(23b)으로부터 콜렉터 링(21)측으로 돌출되지 않게 되어 있다. 각 제1 볼트(31)를 조임으로써, 다이어프램 외륜(18) 및 어댑터 링(23)의 대향면(즉, 하류측 단부면(18a) 및 상류측 단부면(23a))이 서로 밀착되어 둘레 방향으로 연속되는 시일면을 형성하고 있다. 제1 볼트(31)는 다이어프램 외륜(18) 및 어댑터 링(23)의 시일면에 직교하고 있으며, 제1 볼트(31)의 체결력이 시일면의 접촉 압력으로 효율적으로 변환된다.

어댑터 링(23) 및 콜렉터 링(21)은 시일핀(22)의 루트부(22a)보다도 외주측의 위치에서 하류측으로부터 축방향으로 삽입된 복수의 제2 볼트(32)로 연결되어 있다. 제2 볼트(32)는 예를 들어 육각 구멍 구비 볼트이며, 콜렉터 링(21)의 관통 구멍(25)을 통해 어댑터 링(23)의 볼트 구멍(27)에 비틀어 넣어져 있다. 본 실시 형태에서는, 제2 볼트(32)는 제1 볼트(31)보다도 외주측에 위치하고 있다. 제2 볼트(32)의 헤드부는 콜렉터 링(21)의 나사머리 자리(25a)에 수납되고, 콜렉터 링(21)의 하류측 단부면(21b)으로부터 돌출되지 않게 되어 있다. 각 제2 볼트(32)를 조임으로써, 어댑터 링(23) 및 콜렉터 링(21)의 대향면(즉, 하류측 단부면(23b) 및 상류측 단부면(21a))에서 체결되어 있다. 제2 볼트(32)는 어댑터 링(23) 및 콜렉터 링(21)의 대향면에 직교하고 있다.

이상과 같이 다이어프램 외륜(18)의 하류측에, 시일핀(22)을 유지하는 콜렉터 링(21)이 어댑터 링(23)을 통해 장착된다. 시일핀(22)이 장착됨으로써, 동익(14d)의 외주측의 간극 유로를 통하는 증기 S의 누설이 억제되어 터빈 효율의 저하가 억제된다. 또한 어댑터 링(23)의 상기 시일면은 작동 유체 유로 F의 주위를 절단부없이 둘러싸고, 다이어프램 외륜(18)과 어댑터 링(23)의 대향면간을 통하는 증기 S의 누설도 억제된다.

-제조 방법-

도 4는 본 발명의 다이어프램 제조 방법의 적용의 판단 수순을 나타내는 흐름도, 도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 다이어프램의 제조 방법의 설명도이며 개조 전의 다이어프램을 나타내는 도면이다. 도 5에 도시한 다이어프램은 기존의 증기 터빈 설비에서 사용되고 있는 것이며, 동도에 나타낸 다이어프램을 기초로 하여 시일핀을 RSS 구조화하는 예를 설명한다.

도 5에 도시한 다이어프램은 증기 터빈용이며, 다이어프램 내륜(도시하지 않음), 다이어프램 외륜 a 및 날개부 f가 일체로 형성되어 있다. 다이어프램 외륜 a의 하류측에는 콜렉터 링 b가 볼트 c로 연결되어 있다. 볼트 c는 콜렉터 링 b측에서 축방향으로 삽입되어 다이어프램 외륜 a에 비틀어 넣어져 있다. 콜렉터 링 b의 내주면에는 시일핀 d가 심어져 있다. 시일핀 d는 콜렉터 링 b에 대하여 코오킹에 의해 고정되어 있다. 이러한 기존의 다이어프램을 기초로 하여 RSS 구조의 시일핀을 구비한 새로운 다이어프램을 제조하는 데 있어서, 본 발명을 적용할지 여부를 먼저 도 4의 수순으로 검토한다.

·스텝 S1

먼저 도 5의 다이어프램이 습윤 단락에 속하는지, 즉 시일핀 d의 RSS 구조화를 요하는지를 판단한다. 애당초 시일핀 d에 이미 RSS 구조가 적용되어 있으면 발명을 적용할 필요는 없고, 스텝 S5로 수순을 옮겨서 발명을 적용하지 않고 검토를 종료한다.

·스텝 S2

도 5의 다이어프램의 시일핀 d를 RSS 구조화하는 경우, 스텝 S2로 수순을 옮기고, RSS 구조의 시일핀(도 3의 시일핀(22))과 이것을 유지하는 슬릿 구비의 새로운 콜렉터 링(도 3의 콜렉터 링(21))을 설계한다.

·스텝 S3

다음에 다이어프램 외륜 a의 체결용 구멍 e에 새로운 콜렉터 링의 슬릿(도 3의 슬릿(24))이 간섭하는지, 즉 축방향에서 보아 슬릿과 체결용 구멍 e가 겹치는지를 판단한다. 슬릿이 체결용 구멍 e에 겹치지 않으면, 체결용 구멍 e를 이용하여 새로운 콜렉터 링이 장착 가능하기 때문에, 어댑터 링(도 3의 어댑터 링(23))을 별도로 준비할 필요가 없다. 이 경우에는 스텝 S5로 수순을 옮겨서 검토를 종료한다.

·스텝 S4

다이어프램 외륜 a의 체결용 구멍 e에 새로운 콜렉터 링의 슬릿이 간섭 혹은 두께 부족이 발생하는 경우, 피치 원 직경을 확대하여 다이어프램 외륜 a의 하류측 단부면에 새로운 볼트 구멍이 가공 가능할지를 판단한다. 다이어프램 외륜 a의 외경(즉, 두께)에 여유가 있어 새로운 볼트 구멍이 가공 가능하면, 이 경우도 어댑터 링을 별도로 준비할 필요가 없다. 새로운 볼트 구멍을 다이어프램 외륜 a에 가공함과 함께, 그들 볼트 구멍에 대응하는 관통 구멍을 새로운 콜렉터 링에 마련하고, 다이어프램 외륜 a에 새로운 콜렉터 링을 직접 장착할 수 있다. 이 경우도 스텝 S5로 수순을 옮겨서 검토를 종료한다.

·스텝 S6

다이어프램 외륜 a의 하류측 단부면에 새로운 볼트 구멍을 마련할 수 없는 경우, 스텝 S6으로 수순을 옮겨서 발명을 적용하는 것으로서 검토를 종료한다.

발명을 적용하기로 한 경우, 도 5의 다이어프램을 개조하여 도 3의 다이어프램(17d)을 제조하는 수순은, 크게는 다이어프램 외륜의 가공 공정, 부품의 제작 공정 및 조립 공정을 포함한다.

다이어프램 외륜의 가공 공정에서는, 어댑터 링(23)을 개재하여 콜렉터 링(21)을 설치하였을 때에 시일핀(22)이 원하는 위치에 오도록, 다이어프램 외륜 a의 하류측 단부를 제거하여 도 3의 다이어프램 외륜(18)을 형성한다. 본 예에 있어서는, 도 5의 다이어프램 외륜 a의 이점 쇄선으로부터 우측의 부분을 제거한다. 단 다이어프램 외륜 a의 하류측 단부의 제거량은 날개부 f에 간섭하지 않는 범위에서 임의로 설정할 수 있다. 다이어프램 외륜 a의 하류측 단부를 제거하는 경우, 예를 들어 다이어프램 외륜 a의 하류측 단부를 기계 가공에 의해 절삭하여 하류측 단부면(18a)을 마무리하는 방법을 채용할 수 있다. 대략 다이어프램 외륜 a의 하류측 단부를 가스 절단한 후에 기계 가공에 의해 하류측 단부면(18a)을 마무리할 수도 있지만, 기계 가공만으로 마무리함으로써, 입열에 의한 다이어프램 외륜(18)의 열변형이 억제된다. 또한, 다이어프램 외륜(18)의 하류측 단부면(18a)에 볼트 구멍(28)을 가공한다.

부품의 제작 공정에서는, 도 3에 도시한 콜렉터 링(21), 시일핀(22) 및 어댑터 링(23)을 제작한다. 이 부품의 제작 공정은, 다이어프램 외륜의 가공 공정 전에 실시해도 후에 실시해도 되고, 또한 동시 병행적으로 실시할 수도 있다. 콜렉터 링(21), 시일핀(22) 및 어댑터 링(23)의 제작 순서도 순서 부동이며, 어떤 순서로 제작해도 되고, 복수를 동시에 제작해도 물론 상관없다.

조립 공정에서는, 콜렉터 링(21)의 슬릿(24)에 RSS 구조의 시일핀(22)을 둘레 방향으로부터 끼워 넣는다. 또한, 다이어프램 외륜(18)의 하류측에 어댑터 링(23)을 배치하고, 하류측으로부터 축방향으로 복수의 제1 볼트(31)를 삽입하여 다이어프램 외륜(18)에 대하여 어댑터 링(23)을 연결한다. 그리고, 어댑터 링(23)의 하류측에 콜렉터 링(21)을 배치하고, 하류측으로부터 축방향으로 복수의 제2 볼트(32)를 삽입하여 어댑터 링(23)에 대하여 콜렉터 링(21)을 연결한다.

-비교예-

도 6은 비교예에 관한 제조 방법에 의해 도 3의 다이어프램을 개조하여 제작한 다이어프램의 구조를 나타내는 도면이다. 비교를 위해 도 6의 콜렉터 링 b'는 도 3의 콜렉터 링(21)과 크기 및 형상을 동일하게 한다.

도 4에서는 기존의 다이어프램의 시일핀을 RSS 구조화할 때에 다이어프램 외륜 a의 체결용 구멍 e의 피치 원 직경이 확대 불가한 경우, 발명을 적용하여 도 3의 구조로 개조하였다. 그러나, 종래에는 도 6과 같이 다이어프램 외륜 a의 외경이 부족하여 RSS 구조의 시일핀을 유지하는 새로운 콜렉터 링 b'가 설치되지 않을 경우, 다이어프램 외륜의 설계를 외경이 큰 것으로 변경하고 있었다. 도 6에 있어서 해칭 부분을 제외한 다이어프램 외륜 a가 기존의 것이며, 해칭 부분을 포함하여 대경화된 다이어프램 외륜 a'가 설계 변경 후의 것이다. 이 경우, 문제없이 콜렉터 링 b'가 설치되지만, 다이어프램 외륜은 일체 구성의 다이어프램의 일부이기 때문에, 다이어프램 외륜의 설계 변경에 따라서 날개부나 다이어프램 내륜을 포함하여 다이어프램 전체를 새롭게 제조해야 한다. 사양을 변경한 다이어프램의 제조에는 장기간을 요한다. 또한 기존의 다이어프램 외륜 a의 외주부를 덧붙임 용접하는 것도 생각할 수 있지만, 입열이 커서 열변형이 염려되기 때문에 바람직하지 않다.

-효과-

(1) 본 실시 형태에서는 시일핀(22)을 RSS 구조로 함으로써 콜렉터 링(21)에 삽입되는 루트부가 커지고, 시일핀(22)의 고정 구조의 에로전에 대한 신뢰성을 높일 수 있다. 또한, 다이어프램 외륜의 하류측 단부를 제거하여 기존의 다이어프램을 대부분 이용할 수 있으므로, 다이어프램에 있어서의 시일핀의 RSS 구조화의 공사 기간의 대폭적인 단축을 기대할 수 있다.

또한, 다이어프램 외륜(18), 어댑터 링(23) 및 콜렉터 링(21)은 볼트로 체결하므로, 용접의 경우와 달리 열변형이 억제되어 다이어프램의 형상을 고정밀도로 마무리할 수 있다.

(2) 제1 볼트(31)는 축방향에서 보아 시일핀(22)에 적어도 일부가 겹쳐 있고, 어댑터 링(23)에 마련한 나사머리 자리(26a)에 헤드부가 수납되어 있다. 이렇게 제1 볼트(31)와 시일핀(22)으로 직경 방향의 스페이스를 공용함으로써, 어댑터 링(23)에 콜렉터 링(21)을 장착하기 위한 볼트 구멍(27)을 마련하는 스페이스의 여유를 확보할 수 있다. 또한, 어댑터 링(23)에 나사머리 자리(26a)를 마련하여 제1 볼트(31)의 헤드부를 수용함으로써, 어댑터 링(23)과 콜렉터 링(21)의 대향면에 대한 제1 볼트(31)의 헤드부의 간섭을 피할 수 있다. 또한 나사머리 자리(26a)가 콜렉터 링(21)으로 막혀 제1 볼트(31)가 완전히 갇힌 구성으로 되고, 제1 볼트(31)가 콜렉터 링(21)으로 구속되기 때문에 제1 볼트(31)의 느슨함도 억제할 수 있다.

(3) 다이어프램 외륜(18) 및 어댑터 링(23)의 시일면이 제1 볼트(31)에 직교하는 평탄면이기 때문에, 제1 볼트(31)의 체결력이 다이어프램 외륜(18) 및 어댑터 링(23)의 시일면의 접촉 압력으로 낭비없이 변환될 수 있다. 이에 의해 다이어프램 외륜(18) 및 어댑터 링(23)의 시일면의 양호한 시일 성능을 확보할 수 있다.

17a-17d: 다이어프램
18: 다이어프램 외륜
18a: 하류측 단부면(다이어프램 외륜 및 어댑터 링의 대향면, 시일면)
19: 다이어프램 내륜
20: 날개부
21: 콜렉터 링
21a: 상류측 단부면(어댑터 링 및 콜렉터 링의 대향면)
22: 시일핀
23: 어댑터 링
23a: 상류측 단부면(다이어프램 외륜 및 어댑터 링의 대향면, 시일면)
23b: 하류측 단부면(어댑터 링 및 콜렉터 링의 대향면)
26a: 나사머리 자리
31: 제1 볼트
32: 제2 볼트
R1: 콜렉터 링의 외경
R2: 다이어프램 외륜의 외경

Claims

다이어프램 내륜, 다이어프램 외륜 및 날개부가 일체로 형성된 증기 터빈용의 다이어프램에 있어서,
상기 다이어프램 외륜의 하류측에 배치된 콜렉터 링,
상기 콜렉터 링에 끼워 넣어진 라디알 스필 스트립 구조의 시일핀, 및
상기 다이어프램 외륜 및 상기 콜렉터 링 사이에 개재하는 어댑터 링을 더 구비하고,
상기 다이어프램 외륜 및 상기 어댑터 링은 하류측으로부터 축방향으로 삽입된 복수의 제1 볼트로 연결되고, 상기 다이어프램 외륜 및 상기 어댑터 링의 대향면이 서로 밀착되어 시일되어 있으며,
상기 콜렉터 링 및 상기 어댑터 링은 상기 다이어프램 외륜보다도 외경이 크고, 상기 시일핀보다도 외주측의 위치에서 하류측으로부터 축방향으로 삽입된 복수의 제2 볼트로 연결되어 있는 다이어프램.
제1항에 있어서, 상기 제1 볼트는 축방향에서 보아 상기 시일핀에 적어도 일부가 겹쳐 있고, 상기 어댑터 링에는 상기 제1 볼트의 헤드부를 수납하는 나사머리 자리가 마련되어 있는 다이어프램.
제1항에 있어서, 상기 다이어프램 외륜 및 상기 어댑터 링의 시일면이 상기 제1 볼트에 직교하는 평탄면인 다이어프램.
제1항의 다이어프램을 적어도 1 단락에 적용한 증기 터빈.
다이어프램 내륜, 다이어프램 외륜 및 날개부가 일체로 형성된 증기 터빈용의 다이어프램을 기초로 하여 라디알 스필 스트립 구조의 시일핀을 구비한 새로운 다이어프램을 제조하는 다이어프램의 제조 방법이며,
상기 다이어프램 외륜보다도 외경이 큰 콜렉터 링 및 어댑터 링을 제작하고,
상기 콜렉터 링에 상기 시일핀을 끼워 넣고,
상기 다이어프램 외륜의 하류측 단부를 제거하고,
상기 다이어프램 외륜의 하류측에 상기 어댑터 링을 배치하고, 하류측으로부터 축방향으로 복수의 제1 볼트를 삽입하여 상기 다이어프램 외륜에 대하여 상기 어댑터 링을 연결하고,
상기 어댑터 링의 하류측에 상기 콜렉터 링을 배치하고, 상기 시일핀보다도 외주측의 위치에서 하류측으로부터 축방향으로 복수의 제2 볼트를 삽입하여 상기 어댑터 링에 대하여 상기 콜렉터 링을 연결하는 다이어프램의 제조 방법.