발전소 터빈의 구조 1

1. 케이싱(Casing)
터빈 회전체의 외부를 덮고 있는 기밀실로서, 증기가 일하기 위한 공간을 제공하며, 내부에 다이어프램 및 패킹(Packing)이 조립되어 있다.
가. 구조
(1) 케이싱은 구조상 고압(High Pressure, HP), 중앙(Intermediate Pressure, IP), 저압(Low Pressure, LP) 케이싱으로 구분한다. 분해 및 조립이 쉽도록 수평 중심 면에서 상하 두 부분으로 나누어 볼트(Bolt)로 결합한다.
(2) 저압 터빈 케이싱 하부는 복수기와 연결되어 있다.
(3) 다이어프램을 지지하며, 이것이 로터(Rotor)와 간격이 일정하게 유지되도록 한다.
(4) 열팽창이 자유롭고 형상이 변하지 않는 구조이어야 한다.
(5) 정지 중 케이싱 내부에 응축수가 고여 있으면 내부 습도가 증가하여 부식 및 열변형을 초래하므로 케이싱의 가장 낮은 위치에 배수(Drain)관을 설치한다.
나. 열응력 감소
케이싱이 고압에 견디기 위하여 두꺼워지므로 기동 및 정지할 때 재료가 받는 열응력 발생은 증가한다. 열응력(Thermal Stress) 발생과 열팽창을 감소하기 위하여 직각인 평면 부를 두지 않은 원통과 원뿔을 조합한 형태로 제작한다.
고온, 고압인 경우 2층 케이싱 구조를 채택하여 케이싱에 발생하는 변형 또는 열응력 발생을 감소시킨다.
* 터빈 출구 증기를 내부 케이싱(Inner Casing)과 외부 케이싱(Outer Casing) 사이의 공간에 흐르게 하여 온도 차 감소로 열응력 발생을 감소시킨다.
* 내 외면의 압력 차가 감소하여 케이싱 두께를 얇게 할 수 있다.
* 온도변화에 유연하게 적응할 수 있으므로 기동•정지 시간이 단축된다.

다. 팽창 기준
터빈 기동• 정지 및 정상운전 중 증기 온도 또는 부하 변화에 따라 케이싱이 자유롭게 팽창할 수 있도록 저압 케이싱의 중심부가 고정하는 점이 되어 터빈 기초에 고정하고, 나머지 케이싱은 미끄럼판에 위치시켜 고압 터빈 측으로만 자유스럽게 팽창하도록 한다.


2. 로터(Rotor)
케이싱 내부로 유입된 증기의 작용으로 증기의 열에너지를 기계적 에너지(회전력)로 변환시켜 발전기에 전달하는 부품이다. 축(Shaft)과 회전날개(Moving Blade)로 구성되며 회전하는 부품 전체를 말한다. 축은 회전날개와 더불어 가장 큰 응력이 발생하는 부분으로 충분한 강도를 가지고, 무게 중심이 잘 잡혀 있어서 진동이 발생하지 않도록 제작한다.
가. 분류
(1) 원판형 (Wheel & Diaphragm Type) 충동터빈
회전날개를 고정하는 부분을 원판으로 제작한 로터이다.
가) 열 박음 하는 형식의 로터(Discs Shrunk Onto Shaft Rotor)
- 회전날개를 끼우는 디스크를 가열한 후 축(Shaft)에 끼워서 냉각시키는 방식으로 조립한 형태이다.
- 장기간 사용으로 축에서 열의 분산이 고르지 못하여 디스크가 헐겁게 될 수 있고, 일체 단 조형보다 일반적으로 진동이 발생하기 쉽다.
나) 일체 단조 형 로터(Single Forging Rotor)
- 축과 디스크를 한 덩어리로 단조한 것으로 열을 박음 하는 형식보다 고가로 제작되며, 열을 박음 하는 형식으로 로터의 결점을 보완할 수 있는 구조이다.
- 현재 대용량 신규 화력발전소에서 채용하는 형식이다.

(2) 원통형 (Drum Type)
회전날개가 원통(Drum)의 바깥둘레에 직접 부착되어 있으며
가) 내부가 텅 빈 중공형 로터(Hollow Drum Rotor)
나) 일체형 로터(Solid Drum Rotor)
다) 디스크를 각각의 단(Stage)으로 제작한 후 이것을 용접하여 만든 용접식 로터(Built-up By Welding Discs Rotor)로 분류한다.

나. 임계속도 (Critical Speed)
임계속도는 회전날개를 포함한 로터 전체의 고유진동수와 회전속도에 따른 진동수가 일치하는 지점의 회전속도를 가리킨다. 기동• 정지 및 운전 중 속도 변동할 때 이 지점에 도달하면 (공진현상으로 진동이 급격히 증가하므로) 임계속도를 통과시켜 로더의 손상을 방지하여야 한다. 임계속도는 정격속도에서 ±15~20% 이상 떨어져 있어야 한다.

다. 열응력
고압 및 중앙 터빈 로터는 터빈으로 유입되는 고온 증기의 영향으로 표면에 큰 온도 변화가 발생하며, 축 중심부까지 균일하게 가열되기까지 시간이 걸리므로 열응력이 발생한다. 냉간기동(Cold Start-Up) 시 로터 표면은 압축응력이 발생하고, 내부(Bore) 쪽은 인장응력이 발생한다.
빈번한 기동 및 정지, 큰 폭의 부하 또는 온도 변화는 큰 열응력이 발생하므로, 재료의 피로(Fafeue) 및 열화, 균열(Crack)이 발생한다.
라. 열팽창
케이싱과 같이 축에서도 온도변화에 따른 팽창이 발생하며, 축과 케이싱의 상대팽창Diferential Expansion)이 문제가 된다. 상대팽창의 표시는 케이싱보다 축의 팽창량이 큰 경우는 (+)(Rotor Long) , 팽창량이 적은 경우에는 (-)(Rotor Short)로 표시한다. 상대 팽창량이 허용치를 초과할 경우 다이어프램, 케이싱과 같은 고정부와 회전날개와 같은 회전부의 접촉에 따른 고장 발생의 원인이 되므로 즉시 조치하여야 한다.

3. 노즐과 다이어프램
가. 노즐 (Nozzle)
증기의 열에너지를 속도 에너지로 바꾸는 작용을 하며 고정 날개(Fixed Blade)를 조합한 것이다. 축소-확대 노즐은 단식 또는 속도 복식의 소형 터빈이나 혼식 터빈의 커티스 단(Curtis Stage)에 사용하며, 축소 노즐은 압력 복식 터빈에 사용한다. 고압 터빈 제1단은 압력 및 온도가 높을 뿐 아니라 부하의 증감에 따른 출구 압력, 온도가 크게 변화한다. 그러므로 이러한 악조건에 대비하여 노즐은 노즐 블록에 장착되어 내부 케이싱에 조립되어 있다. 터빈 Control Stage에 있어서 고정날개의 제1열을 노즐 블록(Nozale Block)이라 한다.
고정날개는 몇 개의 그룹(Group)으로 분리되어 있으며, 각각의 그룹은 각 주요 증기의 조절밸브(Control valve)와 연결되어 있다.
노즐 블록이 없는 경우는 다이어프램(Diaphragm)에 노즐이 심겨 있다.
주요 증기 조절밸브에서 공급된 증기는 증기실(Steam Chamber)에서 원주상의 노즐에 일률적으로 공급하게 되어 있어 케이싱 구조가 간단해지고 열응력 경감에도 유리하다.

나. 다이어프램 (Diaphragm)
내부 링(mner Ring)과 외부 링(Outer Ring) 사이에 고정날개가 붙은 한 열(Row)을 다이어프램이라 한다. 다이어프램의 외부 링은 터빈 케이싱에 조립되어 고정되어 있고, 내부 링은 축을 둘러싸고 있으며 Labyrinth Packing을 설치하여 증기 누설을 방지한다. 고정날개는 움직이지 않으므로 증기가 보유한 압력에너지의 감소는 속도 에너지의 증가를 가져온다.
속도가 증가한 증기는 많은 운동에너지를 보유하고, 이 에너지를 회전날개에 전달하여 로터를 회전시키므로, 운동에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 다이어프램은 회전날개 열과 함께 단(Stage)을 형성하고, 각 단의 기밀을 유지하는 역할을 하며 상•하 2분할 구조이다. 증기가 팽창 도중 습도가 증가하는 저압 터빈의 마지막 단 부근에서는 물방울이 발생하므로 케이싱, 다이어프램 또는 고정날개에 물방울 자체의 원심력을 이용한 배제 장치를 설치하여 물방울을 증기 통로 밖으로 배출한다.