증기 터빈 구성요소: 주요 부품, 제조 요구 사항 및 지정 사항

증기 터빈은 산업 서비스 분야에서 열역학적으로 가장 까다로운 기계 중 하나입니다. 해당 구성 요소는 높은 온도, 높은 회전 속도 및 상당한 기계적 응력에서 동시에 작동하며 주요 정밀 검사 사이에 수만 시간 동안 안정적으로 작동할 것으로 예상됩니다. 개별 터빈 구성 요소, 특히 고온 가스 경로의 회전 및 고정 부품에 대한 엔지니어링 요구 사항은 대부분의 다른 산업 기계에 대한 요구 사항보다 상당히 높으며 제조 정밀도 및 재료 품질 요구 사항이 이를 반영합니다.

주요 구성 요소 및 역할

터빈 로터 및 샤프트

로터는 터빈의 중앙 회전 어셈블리로, 터빈 디스크와 블레이드가 장착되어 증기에서 추출된 회전 에너지를 발전기 또는 구동 장비로 전달하는 샤프트입니다. 대형 증기 터빈 로터는 대형 강철 빌렛으로 가공된 모놀리식 단조품이거나 개별 디스크를 조립하여 수축시켜 공통 샤프트에 고정한 것입니다. 로터 샤프트는 터빈의 전체 축 길이에 걸쳐 있으며 각 끝의 저널 베어링에 의해 지지됩니다.

로터는 터빈에서 구조적으로 가장 까다로운 부품입니다. 이는 부착된 블레이드의 원심력(작동 속도에서 블레이드 재료의 인장 강도와 유사한 블레이드 루트 응력을 생성함), 시작 및 종료 중 차등 가열로 인한 열 응력, 전체 출력 토크를 전달하는 데 필요한 비틀림 하중을 견뎌야 합니다. 로터 재료는 일반적으로 고온 강도와 크리프 저항성을 결합하기 위해 선택된 크리프 방지 합금강(CrMoV(크롬-몰리브덴-바나듐) 또는 NiCrMoV 강철)입니다. 로터 단조 블랭크의 초음파 테스트 및 자분 검사는 가공이 시작되기 전에 내부 결함이 없는지 확인하기 위한 표준 요구 사항입니다.

터빈 블레이드(버킷)

터빈 블레이드는 증기 제트의 운동 에너지를 샤프트 회전으로 변환합니다. 이는 전체 기계에서 열적으로나 기계적으로 가장 까다로운 환경에서 작동합니다. 산업용 증기 터빈의 고압, 고온 블레이드는 500~600°C의 증기 온도에서 작동하고 3,000 또는 3,600rpm으로 회전하여 블레이드 루트에서 100~200MPa 이상의 원심 응력을 생성할 수 있습니다. 응축 터빈의 후기 단계는 낮은 온도의 증기를 처리하지만 비체적은 훨씬 더 높습니다. 대형 응축 터빈의 마지막 단계 블레이드는 길이가 1m를 넘을 수 있으므로 신중한 재료 선택과 블레이드 루트 형상 최적화가 필요한 원심 응력을 생성합니다.

블레이드 재료 선택은 온도 프로파일을 따릅니다. 고압 1단계 블레이드는 크리프 및 산화 저항을 위해 오스테나이트계 스테인리스강 또는 니켈 초합금을 사용합니다. 중간 압력 블레이드는 마르텐사이트 스테인리스강을 사용합니다. 저압 최종 단계 블레이드는 습증기 팽창 시 습기에 대한 강도와 내식성을 결합하기 위해 12% 크롬 마르텐사이트 스테인리스 스틸 또는 17-4PH 석출 경화 스테인리스 스틸을 사용합니다. 블레이드 프로파일은 일반적으로 10분의 1밀리미터의 허용 오차를 갖는 특정 날개 모양으로 기계 가공되거나 정밀 주조됩니다. 모양 정확도는 블레이드의 공기 역학적 효율성과 그에 따른 터빈의 열 효율성에 직접적인 영향을 미칩니다.

증기 터빈 케이싱(하우징)

케이싱은 터빈의 압력을 함유하는 외부 쉘입니다. 이는 고정 노즐 다이어프램을 고정하고 증기 경로가 대기로 누출되지 않도록 밀봉하며 열 사이클 전체에서 고정 구성 요소와 회전 구성 요소 사이의 치수 관계를 유지합니다. 케이싱은 일반적으로 수평 중심선을 따라 수평으로 분할되어 조립 및 유지 관리 접근이 가능하며 분할 라인에 볼트로 고정된 플랜지 조인트가 있어 많은 설계에서 개스킷 없이 고압 증기에 대해 밀봉해야 합니다.

고온 증기용 고압 케이싱은 높은 크리프 응력에서 작동합니다. 즉, 재료 크리프 강도가 부적절할 경우 증기 압력과 고온이 결합되어 점진적인 소성 변형이 발생합니다. 고압 터빈 케이싱은 작동 온도에서 크리프 강도가 우수한 CrMoV 또는 CrMoV-Nb 합금강을 사용합니다. 중압 케이싱은 종종 저합금 주강을 사용합니다. 대기압 근처에서 작동하는 저압 케이싱은 회주철 또는 탄소강을 사용합니다. 케이싱 벽 두께와 볼트 플랜지 치수는 터빈의 25~30년 설계 수명 동안 크리프 및 피로 하중에 대한 실질적인 안전 계수와 함께 설계 압력 및 온도에 대해 계산됩니다.

노즐 다이어프램

노즐 다이어프램은 각 회전 블레이드 열 사이에 고정 노즐 베인을 고정합니다. 노즐은 최대 에너지 추출을 위해 정확한 각도와 속도로 증기 제트를 회전 블레이드로 향하게 합니다. 노즐은 정적 구성 요소이지만 각 단계에 걸쳐 상당한 압력 차이와 증기 온도 구배로 인한 열 응력을 받습니다. 다이어프램은 일반적으로 용접된 스테인리스강 또는 주조 합금강으로 제작되며, 노즐 통로는 필요한 공기역학적 프로파일에 맞게 정밀 가공되거나 매몰 주조됩니다.

다이어프램 내부 보어와 회전 샤프트 래버린스 씰 사이의 간격이 중요합니다. 너무 작으면 열팽창으로 인해 접촉 손상이 발생합니다. 너무 크면 씰을 통한 증기 누출로 효율성이 떨어집니다. 다이어프램 제조 정밀도는 임계 틈새 치수에서 10분의 1밀리미터로 측정되므로 신중한 열 성장 계산이 필요하며 차등 열 팽창을 설명하는 설계 도면에 대해 실온에서 치수 검사를 통해 검증됩니다.

베어링 시스템

증기 터빈 로터는 양쪽 끝에 있는 저널 베어링(유체역학적 일반 베어링)으로 지지됩니다. 이러한 베어링은 로터의 전체 정적 중량과 불균형 힘으로 인한 동적 부하를 지탱하며 모든 작동 조건에서 안정적인 유체역학적 유막을 유지해야 합니다. 베어링 하우징은 일반적으로 케이싱 구조의 일부입니다. 베어링 자체는 베어링 표면에 Babbit(백색 금속) 또는 주석-알루미늄 합금으로 안감을 댄 분할 슬리브입니다.

로터의 축 위치를 제어하는 ​​스러스트 베어링은 축 방향 증기력을 수용하고 회전 블레이드가 고정 다이어프램에 접촉하는 것을 방지하는 틸팅 패드 설계를 사용합니다. 스러스트 베어링 틈새 유지 관리는 매우 중요합니다. 스러스트 베어링 기능이 손실되면 축 방향 이동이 허용되어 블레이드와 다이어프램의 치명적인 접촉 및 시작 후 몇 초 내에 터빈 파괴가 발생할 수 있습니다. 진동 모니터링과 축 위치 모니터링은 바로 이러한 이유로 모든 발전 및 대형 산업용 증기 터빈의 표준 장비입니다.

씰링 시스템

증기 터빈은 로터와 케이싱 끝벽 사이, 다이어프램 내부 보어와 샤프트 사이, 샤프트가 케이싱에서 나오는 터빈 샤프트 끝 등 여러 위치에서 증기 누출을 위한 구불구불한 경로를 생성하는 일련의 칼날 핀인 미로 씰을 사용합니다. Labyrinth 씰은 비접촉식입니다. 샤프트에 물리적으로 닿지 않고 작은 간격을 유지하므로 마모 없이 열팽창과 진동을 견딜 수 있지만 각 핀 주변에서 약간의 증기 누출이 발생합니다.

씰 핀 간격은 핵심 효율성 매개변수입니다. 간격이 좁을수록 누출 손실은 줄어들지만 열 과도 현상 중 접촉 손상 위험이 증가합니다. 최신 터빈 설계에서는 시동 중에 영구적인 손상 없이 핀이 샤프트에 닿을 수 있도록 하는 개폐식 씰 또는 마모성 씰 재료를 사용하고 작동 조건이 안정화되면 긴밀한 간격을 유지합니다.

터빈 부품을 차별화하는 제조 요구 사항

재료 인증 및 추적성

압력을 포함하거나 하중을 받는 터빈 구성요소에 사용되는 모든 재료에는 강철 또는 합금의 특정 열까지 추적할 수 있는 재료 인증이 필요합니다. 인증에는 화학적 조성, 기계적 시험 결과(인장강도, 항복강도, 연신율, 충격에너지), 열처리 기록이 포함됩니다. 로터 단조품 및 고압 케이싱의 경우 해당 허용 기준을 초과하는 내부 및 표면 결함이 없음을 입증하기 위해 추가 비파괴 검사(NDE) 기록(초음파 테스트(UT), 방사선 사진 테스트(RT) 및 자분 입자 검사(MPI))이 필요합니다.

원자재부터 완제품까지의 추적성 체인은 모든 주요 시장의 터빈 부품에 필수입니다. 이는 단순한 품질 선호 사항이 아니라 대부분의 산업 응용 분야에서 압력 용기 및 회전 기계에 대한 규제 및 보험 요구 사항입니다. 완전한 자재 추적 문서를 제공할 수 없는 터빈 부품 공급업체는 가격에 관계없이 심각한 고려 대상에서 제외됩니다.

치수 공차 및 표면 마감

증기 터빈 부품 일반 산업용 부품보다 훨씬 더 엄격한 공차로 가공됩니다. 로터 저널 직경은 일반적으로 IT5-IT6 공차 등급(일반적인 샤프트 직경의 경우 약 ±0.005-0.015mm)으로 가공되고 유체 역학 베어링 표면의 표면 마감은 Ra 0.4-0.8μm입니다. 블레이드 루트 형태 치수는 블레이드 루트 접촉 표면 전체에 올바른 하중 분포를 보장하기 위해 ±0.05mm 이하로 유지됩니다. 조립된 로터 스테이지의 밸런싱은 ISO 1940에 따른 G1.0 또는 G2.5 밸런싱 품질 등급에 필요합니다. 3,000rpm에서는 작은 질량 불균형이라도 상당한 진동 힘을 생성합니다.

열처리

합금강 터빈 부품의 열처리는 응력 완화(왜곡이나 균열을 일으킬 수 있는 단조 및 가공에서 잔류 응력 제거), 경화(완성된 상태에서 필요한 기계적 특성 개발) 및 템퍼링(강도와 인성의 균형 최적화) 등 여러 목적으로 사용됩니다. 문서화된 열처리 기록(시간, 온도, 대기, 담금질 매체)은 재료 인증 패키지의 일부입니다. 높은 온도에서 작동하는 부품의 경우, 용접 부위의 야금학적 특성을 복원하기 위해 모든 수리 용접에 대한 용접 후 열처리(PWHT)가 필수입니다.

터빈 부품을 조달할 때 조달팀이 확인해야 할 사항

자주 묻는 질문

고압 증기 터빈 로터에는 어떤 재료가 사용됩니까?

산업 및 발전 응용 분야를 위한 고압 증기 터빈 로터는 일반적으로 CrMoV 합금강을 사용합니다(Cr-Mo-V 지정은 경화성 및 내식성을 위한 크롬, 크리프 강도를 위한 몰리브덴, 석출 경화를 위한 바나듐의 세 가지 주요 합금 원소를 반영합니다). 특정 등급에는 1CrMoV, 2CrMoV 및 고온 서비스를 위한 고급 합금 변형이 포함됩니다. 정확한 합금 선택은 최대 증기 온도에 따라 달라집니다. 증기 온도가 높을수록 크리프 저항성이 더 높은 합금강이 필요합니다. 600°C 이상의 초초임계 증기 사이클의 경우 로터 재료는 9~12% Cr 마텐자이트강과 심지어 가장 뜨거운 부분을 위한 니켈 기반 초합금으로 발전하고 있습니다.

증기 터빈 부품은 교체하기 전에 얼마나 오래 지속됩니까?

발전 서비스에 사용되는 주요 증기 터빈은 대대적인 정밀 검사 또는 부품 교체 이전에 100,000~200,000 작동 시간(약 12~25년 연속 작동) 동안 설계되었습니다. 실제로 실제 구성 요소 수명은 작동 조건에 따라 크게 다릅니다. 빈번한 시작-정지 주기를 겪는 터빈은 지속적으로 작동하는 기본 부하 기계보다 더 빠르게 열 피로 손상을 축적합니다. 고압 블레이드와 노즐은 일반적으로 크리프 신장과 침식으로 인해 25,000~50,000시간에 검사와 교체가 필요합니다. 로터는 교체 간격이 더 길지만 증기 환경에서 응력 부식 균열에 대한 보어 검사가 필요합니다. 주기적인 진동 모니터링, 보어 검사, 야금 샘플링을 포함한 상태 기반 유지 관리 프로그램은 위험을 관리하면서 구성품 수명을 극대화하기 위한 업계 표준입니다.

임펄스와 반응 터빈 블레이드 설계의 차이점은 무엇입니까?

임펄스 단계에서 단계 전체의 압력 강하는 고정 노즐에서 완전히 발생합니다. 회전 블레이드는 기본적으로 압력 강하를 확인하지 않고 일정한 압력에서 작동하여 증기 제트의 속도에서만 에너지를 추출합니다. 반응 단계에서는 고정 노즐과 회전 블레이드 모두에서 상당한 압력 강하가 발생합니다. 블레이드 통로는 노즐 자체의 역할을 하여 팽창하는 증기의 반력을 통해 에너지 추출에 기여합니다. 대부분의 산업용 증기 터빈은 첫 번째 고압 단계의 임펄스 설계(고압 및 온도 관리가 임펄스 단계화를 선호하는 경우)와 중간 및 저압 단계의 반응 설계(낮은 압력 비율에서 반응 단계의 더 높은 효율이 유리한 경우)의 조합을 사용합니다. 블레이드 형상, 종횡비 및 프로파일은 임펄스 설계와 반응 설계 간에 다르며 이는 교체 블레이드를 지정할 때 관련됩니다. 스테이지 속도 삼각형과 공기 역학적 성능을 유지하려면 설계 유형이 원본과 일치해야 합니다.

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