KR101536057B1

KR101536057B1 - 축류 터빈

Info

Publication number: KR101536057B1
Application number: KR1020130125963A
Authority: KR
Inventors: 다카노리 시바타; 노리요 니시지마; 기요시 세가와; 히사타카 후쿠시마; 굉원 이
Original assignee: 미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2015-07-10
Also published as: EP2725201A2; US20140119901A1; US20170016342A1; CN103775138A; CN103775138B; EP2725201A3; JP5985351B2; KR20140052864A; US9476315B2; JP2014084816A

Abstract

본 발명의 과제는, 혼합 손실의 저감 효과를 높일 수 있는 축류 터빈을 제공하는 것이다.
다이어프램 외륜(1)의 내주측에 설치된 복수의 정익(2)과, 로터(4)의 외주측에 설치된 복수의 동익(5)과, 복수의 동익(5)의 외주측에 설치된 슈라우드(6)와, 다이어프램 외륜(1)에 형성되고, 슈라우드(6)를 수납하는 환 형상의 홈부(12)와, 다이어프램 외륜(1)의 홈부(12)와 슈라우드(6) 사이에서 형성되고, 주 유로(7)의 정익(2)의 하류측으로부터 작동 유체의 일부가 유입되어, 주 유로(7)의 동익(5)의 하류측으로 유출되는 간극 유로(13)와, 간극 유로(13)에 설치된 시일 핀(14A∼14D)과, 간극 유로(13)의 하류측에 형성된 순환류 생성실(17)과, 순환류 생성실(17) 내에 위치하도록 다이어프램 외륜(1)에 고정되고, 로터축 방향 및 반경 방향으로 연장되는 복수의 차폐판(18)을 갖는다.

Description

축류 터빈 {AXIAL FLOW TURBINE}

본 발명은, 발전 플랜트의 증기 터빈이나 가스 터빈 등에 사용되는 축류 터빈에 관한 것이다.

최근, 발전 플랜트의 발전 효율 향상을 위해, 터빈 성능의 가일층의 향상이 강하게 요구되고 있다. 터빈 성능에는, 터빈의 단락 손실, 배기 손실, 기계 손실 등이 상관되지만, 그들 중 단락 손실을 저감시키는 것이 가장 효과적이라고 여겨지고 있다.

단락 손실에는, 여러 가지의 것이 포함되지만, 크게 나누어,

(1) 날개 형상 자체에 기인하는 익형 손실,

(2) 주류를 따르지 않는 흐름에 기인하는 2차 흐름 손실,

(3) 작동 유체(증기나 가스 등)가 주 유로 이외로 누설됨으로써 발생하는 누설 손실 등이 있다.

상기 누설 손실은,

(a) 작동 유체의 일부(누설 유체)가 주 유로 이외의 간극 유로(바이패스 유로)를 흘러, 누설 유체가 갖는 에너지가 유효 이용되지 않음으로써 발생하는 바이패스 손실,

(b) 간극 유로로부터 주 유로에 누설 유체가 유입될 때에 발생하는 혼합 손실,

(c) 주 유로에 유입된 누설 유체가 하류측의 익렬에 간섭하여 발생하는 간섭 손실 등으로 이루어진다.

그리고, 최근, 상기 바이패스 손실뿐만 아니라, 상기 혼합 손실이나 상기 간섭 손실을 저감하는 것도 중요한 과제로 되어 있다. 즉, 단순히 주 유로로부터 간극 유로로의 누설 유체의 유량(누설량)을 줄일 뿐만 아니라, 간극 유로로부터 주 유로로 누설 유체를 어떻게 손실 없이 복귀시킬지도 중요한 과제로 되어 있다.

따라서, 이러한 과제를 해결하기 위해, 간극 유로의 하류측에 복수의 안내판을 설치하여, 이들 안내판에 의해 누설 유체의 흐름 방향을 주류 방향에 맞추도록 전향하는 것이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).

일본 특허 출원 공개 제2011-106474호 공보

그러나, 상기 종래 기술에는 이하와 같은 개선의 여지가 있었다. 즉, 특허문헌 1에 기재된 종래 기술에서는, 누설 유체의 흐름 방향을 전향하기 위해, 누설 유체를 안내판에 통과시킬 뿐이다. 그로 인해, 안내판의 개수를 증가시켜 안내판의 간격을 좁히지 않으면, 누설 유체의 흐름 방향을 전향하는 효과를 충분히 끌어낼 수 없어, 혼합 손실의 저감 효과가 충분히 얻어지지 않을 가능성이 있다. 그렇다고 해서, 안내판의 개수를 증가시켜 안내판의 간격을 좁히면, 접촉 면적이 증대되어 마찰 손실이 증가하여, 혼합 손실의 저감 효과를 상쇄할 가능성이 있다.

본 발명의 목적은, 혼합 손실의 저감 효과를 높일 수 있는 축류 터빈을 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 정지체의 내주측에 설치되고, 주위 방향으로 배열된 복수의 정익과, 회전체의 외주측에 설치되고, 주위 방향으로 배열된 복수의 동익과, 상기 복수의 정익이 배치되는 동시에, 그들의 하류측에 상기 복수의 동익이 배치되어, 작동 유체가 유통하는 주 유로와, 상기 복수의 동익의 외주측에 설치된 슈라우드와, 상기 정지체에 형성되고, 상기 슈라우드를 수납하는 환 형상의 홈부와, 상기 홈부와 상기 슈라우드 사이에서 형성되고, 상기 주 유로에 있어서의 상기 정익의 하류측으로부터 작동 유체의 일부가 유입되어, 상기 주 유로에 있어서의 상기 동익의 하류측으로 유출되는 간극 유로와, 상기 간극 유로에 설치된 복수단의 시일 핀과, 상기 간극 유로의 하류측에 형성된 순환류 생성실과, 상기 순환류 생성실 내에 위치하도록 상기 정지체에 고정되고, 상기 회전체의 축 방향 및 반경 방향으로 연장되는 복수의 차폐판을 갖는다.

이러한 본 발명에 있어서는, 주 유로의 정익의 하류측(바꾸어 말하면, 동익의 상류측)으로부터 간극 유로로 작동 유체의 일부(누설 유체)가 유입되고, 누설 유체가 간극 유로를 경유하여 주 유로의 동익의 하류측으로 유출되어 있다. 이때, 주 유로의 정익의 하류측으로부터 간극 유로로 유입된 누설 유체는, 큰 주위 방향 속도 성분을 갖는 흐름이지만, 그 일부가 순환류 생성실에 유입되어 차폐판에 충돌함으로써, 주위 방향 속도 성분을 억제한 순환류를 생성할 수 있다. 그리고, 이와 같이 생성된 순환류의 간섭에 의해, 간극 유로로부터 주 유로의 동익의 하류측으로 유출되는 누설 유체의 흐름에 대해, 주위 방향 속도 성분을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 따라서, 누설 유체의 흐름 방향을, 동익을 통과한 작동 유체(주류 유체)의 흐름 방향에 맞출 수 있어, 혼합 손실의 저감 효과를 높일 수 있다.

본 발명에 따르면, 혼합 손실의 저감 효과를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 증기 터빈의 부분 구조를 모식적으로 나타내는 로터축 방향의 단면도.
도 2는 도 1 중 Ⅱ부의 부분 확대 단면도로, 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 간극 유로의 상세 구조를 나타내는 도면.
도 3은 도 1 중 단면 Ⅲ-Ⅲ에 있어서의 로터 주위 방향의 단면도로, 주 유로 내의 흐름을 나타내는 도면.
도 4는 도 1중 단면 Ⅳ-Ⅳ에 있어서의 로터 주위 방향의 단면도로, 주 유로 내의 흐름과 함께 간극 유로 내의 흐름을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 제1 실시 형태 및 종래 기술에 있어서의 동익 유출각의 분포를 각각 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 제1 실시 형태 및 종래 기술에 있어서의 동익 손실 계수의 분포를 각각 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 일 변형예에 있어서의 간극 유로의 상세 구조를 나타내는 부분 확대 단면도.
도 8은 본 발명의 다른 변형예에 있어서의 간극 유로의 상세 구조를 나타내는 부분 확대 단면도.
도 9는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 간극 유로의 상세 구조를 나타내는 부분 확대 단면도.

이하, 본 발명을 증기 터빈에 적용한 경우의 실시 형태에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 증기 터빈의 부분 구조(단락 구조)를 모식적으로 나타내는 로터축 방향의 단면도이다. 도 2는 도 1 중 Ⅱ부의 부분 확대 단면도로, 간극 유로의 상세 구조를 나타낸다. 도 3은 도 1 중 단면 Ⅲ-Ⅲ에 있어서의 로터 주위 방향의 단면도로, 주 유로 내의 흐름을 나타낸다. 도 4는 도 1 중 단면 Ⅳ-Ⅳ에 있어서의 로터 주위 방향의 단면도로, 간극 유로 내의 흐름을 주 유로 내의 흐름과 함께 나타낸다.

이들 도 1∼도 4에 있어서, 증기 터빈은, 케이싱(도시하지 않음)의 내주측에 설치된 환 형상의 다이어프램 외륜(1)(정지체)과, 이 다이어프램 외륜(1)의 내주측에 설치된 복수의 정익(2)과, 이들 정익(2)의 내주측에 설치된 환 형상의 다이어프램 내륜(3)을 구비하고 있다. 또한, 복수의 정익(2)은, 다이어프램 외륜(1)과 다이어프램 내륜(3) 사이에, 주위 방향으로 소정의 간격으로 배열되어 있다.

또한, 증기 터빈은, 회전축(O)을 중심으로 하여 회전하는 로터(4)(회전체)와, 이 로터(4)의 외주측에 설치된 복수의 동익(5)과, 이들 동익(5)의 외주측(바꾸어 말하면, 날개 선단측)에 설치된 환 형상의 슈라우드(6)를 구비하고 있다. 복수의 동익(5)은, 로터(4)와 슈라우드(6) 사이에, 주위 방향으로 소정의 간격으로 배열되어 있다.

증기(작동 유체)의 주 유로(7)는, 다이어프램 외륜(1)의 내주면(8a)과 다이어프램 내륜(3)의 외주면(9) 사이에 형성된 유로나, 슈라우드(6)의 내주면(10)[및 다이어프램 외륜(1)의 내주면(8b)]과 로터(4)의 외주면(11) 사이에 형성된 유로 등으로 구성되어 있다. 주 유로(7)에는, 복수의 정익(2)(바꾸어 말하면, 1개의 정익렬)이 배치되는 동시에, 그들의 하류측(도면 중 우측)에 복수의 동익(5)(바꾸어 말하면, 1개의 동익렬)이 배치되어 있고, 이들 정익(2)과 동익(5)의 조합이 1개의 단락을 구성하고 있다. 또한, 도 1에서는, 편의상, 1단밖에 도시되어 있지 않지만, 일반적으로는, 증기의 내부 에너지를 효율적으로 회수하기 위해, 로터축 방향으로 복수단 설치되어 있다.

주 유로(7) 내의 증기(주류 증기)는, 도 1 중 백색 화살표로 나타내는 바와 같이 흐르고 있다. 그리고, 정익(2)에 의해 증기의 내부 에너지(바꾸어 말하면, 압력 에너지 등)가 운동 에너지(바꾸어 말하면, 속도 에너지)로 변환되고, 동익(5)에 의해 증기의 운동 에너지가 로터(4)의 회전 에너지로 변환된다. 또한, 로터(4)의 단부에는 발전기(도시하지 않음)가 접속되어 있고, 이 발전기에 의해 로터(4)의 회전 에너지가 전기 에너지로 변환되도록 되어 있다.

주 유로(7) 내의 증기의 흐름(주류)에 대해, 상세하게 설명한다. 증기는, 정익(2)의 전방 테두리측(도 3 중 좌측)으로부터 절대 속도 벡터 C1(상세하게는, 주위 방향 속도 성분을 거의 갖지 않는 축 방향의 흐름)로 유입된다. 그리고, 정익(2)의 날개 사이를 통과할 때에 증속, 전향되어 절대 속도 벡터 C2(상세하게는, 큰 주위 방향 속도 성분을 갖는 흐름)로 되어, 정익(2)의 후방 테두리측(도 3 중 우측)으로부터 유출된다. 정익(2)으로부터 유출된 증기의 대부분은, 동익(5)에 충돌하여 로터(4)를 속도 U로 회전시킨다. 이때, 증기는, 동익(5)을 통과할 때에 감속, 전향되어, 상대 속도 벡터 W2로부터 상대 속도 벡터 W3으로 된다. 따라서, 동익(5)으로부터 유출되는 증기는, 절대 속도 벡터 C3(상세하게는, 절대 속도 벡터 C1과 거의 동일하며, 주위 방향 속도 성분을 거의 갖지 않는 축 방향의 흐름)으로 된다.

그런데, 다이어프램 외륜(1)의 내주면에는, 슈라우드(6)를 수납하는 환 형상의 홈부(12)가 형성되어 있고, 이 홈부(12)와 슈라우드(6) 사이에 간극 유로(바이패스 유로)(13)가 형성되어 있다. 그리고, 주 유로(7)의 정익(2)의 하류측[바꾸어 말하면, 동익(5)의 상류측]으로부터 간극 유로(13)에 증기의 일부(누설 증기)가 유입되고, 누설 증기가 간극 유로(13)를 경유하여 주 유로(7)의 동익(5)의 하류측으로 유출된다(누설 흐름). 그로 인해, 누설 증기의 내부 에너지가 유효 이용되지 않아, 바이패스 손실이 발생한다. 이 바이패스 손실을 저감하기 위해, 즉, 주 유로(7)로부터 간극 유로(13)로의 누설 증기의 유량(누설량)을 줄이기 위해, 간극 유로(13)에는 래버린스 시일이 설치되어 있다.

본 실시 형태의 래버린스 시일에서는, 홈부(12)의 내주면에 환 형상의 시일 핀(14A∼14D)이 설치되어 있고, 이들 시일 핀(14A∼14D)은 로터축 방향으로 소정의 간격으로 배치되어 있다. 시일 핀(14A∼14D)의 선단부(내주측 테두리부)는, 그들의 단면이 예각의 쐐기 형상으로 되어 있다. 슈라우드(6)의 외주측에는, 제1단의 시일 핀(14A)과 제4단의 시일 핀(14D) 사이에 위치하도록, 환 형상의 단차부(융기부)(15)가 형성되어 있다.

각 시일 핀의 선단과 이것에 대향하는 슈라우드(6)의 외주면의 간극 치수 D₁은, 정지체측과 회전체측의 접촉을 방지하면서 누설 증기의 유량이 최대한 작아지도록 설정되어 있다. 또한, 단차부(15)의 단차 치수 D₂는, 예를 들어 전술한 간극 치수 D₁의 2∼3배 정도로 설정되어 있다. 그로 인해, 시일 핀(14A, 14D)은, 시일 핀(14B, 14C)보다, 전술한 단차 치수 D₂의 만큼 길게 되어 있다.

주 유로(7)의 정익(2)의 하류측에 있어서의 주류 증기는, 상술한 바와 같이 큰 주위 방향 속도 성분을 갖는 흐름(절대 속도 벡터 C2)으로 되어 있고, 간극 유로(13)로 유입되는 누설 증기도, 큰 주위 방향 속도 성분을 갖는 흐름으로 되어 있다. 그리고, 간극 유로(13)로 유입된 누설 증기는, 제1단의 시일 핀(14A)의 선단과 슈라우드(6)의 외주면의 간극(교축부), 제2단의 시일 핀(14B)의 선단과 슈라우드(6)의 외주면의 간극(교축부), 제3단의 시일 핀(14C)의 선단과 슈라우드(6)의 외주면의 간극(교축부) 및 제4단의 시일 핀(14D)의 선단과 슈라우드(6)의 외주면의 간극(교축부)을 순차 통과한다. 이때, 교축 손실에 의해, 누설 증기의 전압이 저하된다. 또한, 누설 증기의 축 방향 속도가 증가하지만, 주위 방향 속도가 거의 변동되지 않는다. 즉, 최종단의 시일 핀(14D)의 선단과 슈라우드(6)의 외주면의 간극을 통과한 누설 증기는, 여전히 큰 주위 방향 속도 성분을 갖는 흐름으로 되어 있다.

한편, 주 유로(7)에서 동익(5)을 통과한 주류 증기는, 상술한 바와 같이 주위 방향 속도 성분을 거의 갖지 않는 흐름(절대 속도 벡터 C3)으로 되어 있다. 그로 인해, 가령, 최종단의 시일 핀(14D)의 선단과 슈라우드(6)의 외주면의 간극을 통과한 누설 증기가, 큰 주위 방향 속도 성분을 갖는 흐름인 채로, 주 유로(7)의 동익(5)의 하류측으로 유출되면, 혼합 손실이 커진다.

따라서, 본 실시 형태의 가장 큰 특징으로서, 다이어프램 외륜(1)의 홈부(12)의 하류측 측면에는, 슈라우드(6)의 하류측 단부면을 향해 돌출되는 환 형상의 돌기부(16)가 설치되어 있다. 이에 의해, 간극 유로(13)의 하류측에 순환류 생성실(17)을 형성하도록 되어 있다. 이 순환류 생성실(17)은, 최종단의 시일 핀(14D)보다 하류측에 위치하는 홈부(12)의 내주면의 일부분과 홈부(12)의 하류측 측면과 제1 돌기부(16)의 외주면(직경 방향 외측의 면)으로 구획된 것이다. 그리고, 최종단의 시일 핀(14D)의 선단과 슈라우드(6)의 외주면의 간극을 통과한 누설 증기의 일부가 순환류 생성실(17)로 유입되고, 홈부(12)의 하류측 측면 등에 충돌하여, 순환류 A1을 생성하도록 되어 있다.

또한, 홈부(12)의 하류측 측면에는[바꾸어 말하면, 순환류 생성실(17) 내에는], 주위 방향으로 소정의 간격으로 배열된 복수의 차폐판(18)이 고정되어 있다. 차폐판(18)은, 로터축 방향 및 로터 반경 방향으로 연장되는 것이며, 본 실시 형태에서는, 로터(4)의 회전의 접선 방향에 대해 수직으로 되도록 배치된 평판이다. 그리고, 순환류 생성실(17)에 유입된 누설 증기(바꾸어 말하면, 순환류 A1)가 차폐판(18)에 충돌함으로써, 순환류 A1의 주위 방향 속도 성분을 억제하도록 되어 있다(도 4 참조). 이와 같이 생성된 순환류 A1의 간섭에 의해, 간극 유로(13)로부터 주 유로(7)의 동익(5)의 하류측으로 유출되는 누설 증기의 흐름 B1에 대해, 주위 방향 속도 성분을 효과적으로 제거할 수 있다(도 4 참조). 바꾸어 말하면, 예를 들어 특허문헌 1에 기재된 바와 같이 안내판 사이에 누설 증기를 통과시키는 경우와 비교하여, 누설 증기의 주위 방향 속도의 대소에 관계없이, 주위 방향 속도 성분을 효과적으로 제거할 수 있다.

또한, 돌기부(16)의 선단은, 최종단의 시일 핀(14D)이 대향하는 슈라우드(6)의 외주면보다, 로터 반경 방향 내측에 위치하고 있다. 이에 의해, 최종단의 시일 핀(14D)의 선단과 슈라우드(6)의 외주면의 간극을 통과한 누설 증기가 순환류 생성실(17)로 유입되기 쉽게 되어 있다.

또한, 돌기부(16)는 간극 유로(13)로부터 주 유로(7)의 동익(5)의 하류측으로 유출되는 누설 증기의 흐름 B1에 대해, 직경 방향 속도 성분을 억제하는 역할도 하고 있다. 특히, 돌기부(16)의 내주면은, 로터축 방향의 상류측(도 2 중 좌측)으로부터 하류측(도 2 중 우측)을 향해 로터 반경 방향의 외측(도 2 중 상측)으로부터 내측(도 2 중 하측)으로 경사져 있으므로, 누설 증기를 로터축 방향을 향하게 하도록 되어 있다. 또한, 돌기부(16)는 주 유로(7)로부터 간극 유로(13)로 증기가 역류하는 것을 방지하는 역할도 하고 있다.

또한, 최종단의 시일 핀(14D)은, 슈라우드(6)의 축 방향 하류단 말단에 구비되어 있다. 이와 같이 설치함으로써, 시일 핀(14D)의 선단과 슈라우드(6)의 외주면과의 간극을 통과한 누설 흐름 B1이, 주위에 유속을 확산시키는 일 없이, 고유속을 유지한 분류(噴流) 상태로 순환류 생성실(17)로 유입되므로, 강한 순환류 A1을 생성할 수 있다. 반대로, 시일 핀(14D)이, 슈라우드(6)의 축 방향 상류측에 구비되어 있을 때에는, 시일 핀(14D)의 선단과 슈라우드의 외주면과의 간극을 통과한 누설 흐름 B1이, 누설 유로 전역으로 확산되어, 직경 방향으로 균일한 유석을 갖는 누설 흐름으로서, 순환류 생성실(17)로 유입되므로, 순환류 A1을 생성할 수 없게 된다. 따라서, 순환류 A1의 생성을 위해서는, 최종단의 시일 핀(14D)이 슈라우드(6)의 축 방향 하류단 말단에 설치되어, 누설 흐름 B1이 고속 분류의 상태로 순환류 생성실(17)로 유입되는 것이 불가결하다.

다음에, 본 실시 형태의 효과를, 도 5 및 도 6을 사용하면서 설명한다.

도 5는, 본 실시 형태에 있어서의 동익 유출각의 분포(도면 중 실선) 및 종래 기술에 있어서의 동익 유출각의 분포(도면 중 점선)를 나타내는 도면으로, 종축이, 주 유로(7)에 있어서의 날개 높이 방향의 위치를 나타내고, 횡축이, 동익(5)의 유출각[바꾸어 말하면, 동익(5)의 하류측에 있어서의 증기의 절대 흐름각]을 나타내고 있다. 또한, 동익(5)의 유출각은, 로터축 방향을 기준(제로)으로 하고, 축 방향 속도에 대해 주위 방향 속도가 커짐에 따라, 유출각의 절대값이 90도에 근접하도록 되어 있다. 도 6은 본 실시 형태에 있어서의 동익 손실 계수의 분포(도면 중 실선) 및 종래 기술에 있어서의 동익 손실 계수의 분포(도면 중 점선)를 나타내는 도면으로, 종축이, 주 유로(7)에 있어서의 날개 높이 방향의 위치를 나타내고, 횡축이, 동익(5)의 손실 계수를 나타내고 있다.

상술한 바와 같이, 주 유로(7)의 정익(2)의 하류측[바꾸어 말하면, 동익(5)의 상류측]으로부터 간극 유로(13)로 누설 증기가 유입되고, 누설 증기가 간극 유로(13)를 경유하여 주 유로(7)의 동익의 하류측으로 유출되어 있다. 이때, 주 유로(7)의 정익(2)의 하류측으로부터 간극 유로(13)로 유입되는 누설 증기는, 큰 주위 방향 속도 성분을 갖는 흐름이고, 최종단의 시일 핀(14D)의 선단과 슈라우드(6) 의 외주면과의 간극을 통과한 누설 증기도, 큰 주위 방향 속도 성분을 갖는 흐름으로 되어 있다.

그리고, 상술한 돌기부(16)나 차폐판(18)을 설치하지 않는 종래 기술에서는, 간극 유로(13)로부터 주 유로(7)로 유출되는 누설 증기는, 큰 주위 방향 속도 성분을 갖는 흐름으로 된다. 한편, 주 유로(7)에서 동익(5)을 통과한 주류 증기는, 상술한 바와 같이 주위 방향 속도 성분을 거의 갖지 않는 흐름으로 되어 있다. 그로 인해, 도 5에 나타내는 바와 같이, 날개 선단 부근 이외의 영역에서 흐름각이 거의 제로이지만, 날개 선단 부근의 영역에서 흐름각이 -90도에 근접해 있다. 또한, 종래 기술에서는, 돌기부(16)가 존재하지 않으므로, 간극 유로(13)로부터 주 유로(7)로 유출되는 누설 증기의 직경 방향 속도가 비교적 크다. 그로 인해, 도 5에 나타내는 바와 같이, 누설 증기의 영향을 받는 날개 높이 방향의 범위도 비교적 크다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이, 혼합 손실이 커진다.

이에 대해, 본 실시 형태에서는, 간극 유로(13)의 하류측에 주위 방향 속도 성분을 억제한 순환류를 생성하고, 이 순환류의 간섭에 의해, 간극 유로(13)로부터 주 유로(7)의 동익(5)의 하류측으로 유출되는 누설 증기의 흐름에 대해, 주위 방향 속도 성분을 효과적으로 제거할 수 있다. 즉, 간극 유로(13)로부터 주 유로(7)로 유출되는 누설 증기는, 주위 방향 속도 성분을 거의 갖지 않는 흐름으로 된다. 그로 인해, 도 5에 나타내는 바와 같이, 날개 선단 부근의 영역에서도, 흐름각이 거의 제로이다. 또한, 본 실시 형태에서는, 돌출부(16)의 존재에 의해, 간극 유로(13)로부터 주 유로(7)로 유출되는 누설 증기의 직경 방향 속도를 저감할 수 있다. 그로 인해, 도 5에 나타내는 바와 같이, 누설 증기의 영향을 받는 날개 높이 방향의 범위도 비교적 작다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이, 혼합 손실을 저감할 수 있어, 단 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시 형태의 효과는, 동익렬과 정익렬의 조합인 단락이 단수인 경우보다도 복수인 경우의 쪽이 크다. 종래 기술에서는, 상술한 바와 같이, 날개 선단 부근의 영역의 흐름각이 다른 영역의 흐름각과 달리, 날개 높이 방향에서 비틀린 흐름으로 되어 있다. 그리고, 정익의 입구 날개각은 날개 높이 방향에서 크게 바뀌지 않으므로, 전술한 흐름이 하류측의 정익으로 유입되면, 단부면 경계층의 발달이나 2차 흐름의 성장을 조성하여, 간섭 손실이 발생한다. 이에 대해, 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 날개 선단 부근의 영역의 흐름각이 다른 영역의 흐름각과 거의 동일하고, 날개 높이 방향에서 균일한 흐름으로 되어 있다. 그리고, 전술한 흐름이 정익으로 유입되어도, 정익의 인시던스가 크게 어긋나는 일은 없어, 간섭 손실의 발생을 억제할 수 있다. 즉, 하류측의 정익의 2차 흐름 손실의 증가를 억제할 수 있어, 하류측의 단 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 제1 실시 형태에 있어서는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 차폐판(18)의 주위 방향 간격(각도 환산)이 동익(5)의 주위 방향 간격(각도 환산)과 거의 동일한 경우[바꾸어 말하면, 차폐판(18)의 개수가 동익(5)의 개수와 동일한 경우]를 예로 들었지만, 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 취지 및 기술 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 변형이 가능하다. 즉, 주 유로(7)의 정익(2)의 하류측으로부터 간극 유로(13)로 유입되는 누설 증기의 주위 방향 속도에 따라서는, 차폐판(18)의 개수를 동익(5)의 개수보다 줄여도, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다. 이러한 경우에는, 차폐판(18)의 개수를 동익(5)의 개수보다 줄여도 된다.

또한, 상기 제1 실시 형태에 있어서는, 주 유로(7)의 동익(5)의 하류측[바꾸어 말하면, 정익(2)의 상류측]에 있어서의 주류 증기의 주위 방향 속도가 거의 제로이므로, 차폐판(18)은, 로터(4)의 회전의 접선 방향에 대해 수직으로 되도록 배치된 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 취지 및 기술 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 변형이 가능하다. 즉, 주 유로(7)의 동익(5)의 하류측에 있어서의 증기의 주위 방향 속도에 따라서는, 차폐판(18)을, 로터 주위 방향으로 약간 경사시켜도 된다. 이러한 경우도, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상기 제1 실시 형태에 있어서는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 슈라우드(6)의 하류측 단부면에 돌기부를 설치하지 않는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 슈라우드(6)의 하류측 단부면에 돌기부를 설치해도 된다. 구체적으로는, 예를 들어 도 7에 나타내는 일 변형예와 같이, 슈라우드(6A)의 하류측 단부면에, 돌기부(16)보다 로터 반경 방향 내측(도면 중 하측)에 위치하는 내측 돌기부(19)를 설치해도 된다. 이 내측 돌기부(19)의 외주면은, 돌기부(16)의 내주면에 대향하고 있고, 로터축 방향의 상류측(도면 중 좌측)으로부터 하류측(도면 중 우측)을 향해 로터 반경 방향의 외측(도면 중 상측)으로부터 내측(도면 중 하측)으로 경사져 있다. 즉, 돌기부(16)의 내주면과 내측 돌기부(19)의 외주면 사이에는, 누설 증기의 안내 유로가 형성되어 있다. 이에 의해, 도면 중 화살표 B2로 나타내는 바와 같이, 간극 유로(13)로부터 주 유로(7)로 유출되는 누설 증기의 흐름 방향을, 보다 로터축 방향을 향하게 할 수 있다. 따라서, 혼합 손실이나 간섭 손실의 저감 효과를 더욱 높일 수 있어, 단 효율의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 증기의 역류 방지 효과도 높일 수 있다.

혹은, 예를 들어 도 8에 나타내는 다른 변형예와 같이, 슈라우드(6B)의 하류측 단부면에, 돌기부(16)보다 로터 반경 방향 외측(도면 중 상측)에 위치하는 외측 돌기부(20)를 설치해도 된다. 이 외측 돌기부(20)의 외주면은, 로터축 방향의 상류측(도면 중 좌측)으로부터 하류측(도면 중 우측)을 향해 로터 반경 방향의 내측(도면 중 하측)으로부터 외측(도면 중 상측)으로 경사져 있다. 이에 의해, 도면 중 화살표 B3으로 나타내는 바와 같이, 최종단의 시일 핀(14D)의 선단과 슈라우드(6B)의 외주면과의 간극을 통과한 누설 증기가 로터 반경 방향 외측으로 전향하여, 순환류 생성실(17)로 유입되기 쉬워진다. 그로 인해, 순환류 A1을 높일 수 있어, 순환류 A1의 간섭에 의한 주위 방향 속도 성분의 제거 효과를 높일 수 있다. 따라서, 혼합 손실이나 간섭 손실의 저감 효과를 더욱 높일 수 있어, 단 효율의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 상기 제1 실시 형태 및 변형예에 있어서는, 4단의 시일 핀(14A∼14D)과 1개의 단차부(15)를 갖는 래버린스 시일을 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 취지 및 기술 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 변형 가능하다. 즉, 시일 핀의 단수는, 4개에 한정되지 않고, 2개, 3개, 또는 5개 이상이어도 된다. 또한, 단차부를 갖지 않아도 되고, 2개 이상의 단차부를 가져도 된다. 이들의 경우도 상기와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상기 제1 실시 형태에 있어서는, 최종단의 시일 핀(14D)을 다이어프램 외륜(1)의 홈부(12)의 내주면에 설치하고 있고, 돌기부(16)의 선단은, 최종단의 시일 핀(14D)이 대향하는 슈라우드(6)의 외주면보다, 로터 반경 방향 내측에 위치하는 구조를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 취지 및 기술 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 즉, 최종단의 시일 핀을 슈라우드(6)의 외주면에 설치해도 된다. 그리고, 돌기부(16)의 선단의 위치는, 예를 들어 최종단의 시일 핀의 선단(외주연) 혹은 근본(내주 테두리)보다, 로터 반경 방향 내측에 위치하는 구조로 해도 된다. 이러한 경우도, 상기와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 제2 실시 형태를 도 9에 의해 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 상기 제1 실시 형태와 동등한 부분은 동일한 부호를 부여하고, 적절하게 설명을 생략한다.

도 9는 본 실시 형태에 있어서의 간극 유로의 상세 구조를 나타내는 도면이다.

본 실시 형태에서는, 슈라우드(6C)의 하류측 단부에는 절결부가 형성되어 있다. 즉, 슈라우드(6C)는, 최종단의 시일 핀(14D)이 대향하는 외주면(21a)과, 이 외주면(21a)보다 로터 반경 방향 외측(도면 중 상측)에 위치하여, 최종단보다 1개 앞의 단의 시일 핀(14C)이 대향하는 외주면(21b)과, 외주면(21a)과 외주면(21b) 사이에서 형성된 단차 측면(22)을 갖고 있다.

각 시일 핀의 선단과 이것에 대향하는 슈라우드(6C)의 외주면과의 간극 치수 D₁은, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 정지체측과 회전체측의 접촉을 방지하면서 누설 증기의 유량이 최대한 작아지도록 설정되어 있다. 또한, 단차 측면(22)의 로터 반경 방향 치수 D₃(단차 치수)은, 예를 들어 전술한 간극 치수 D₁의 5배 이상(본 실시 형태에서는, 6∼8배 정도)으로 설정되어 있다. 그로 인해, 시일 핀(14D)은, 시일 핀(14C)보다, 전술한 단차 치수 D₃의 만큼 길게 되어 있다. 바꾸어 말하면, 시일 핀(14D)의 선단은, 외주면(21b)보다 로터 반경 방향 내측(도면 중 하측)에 위치하고 있다.

또한, 시일 핀(14C)과 시일 핀(14)의 사이의 로터축 방향 치수 H₃은, 시일 핀(14A)과 시일 핀(14B) 사이의 로터축 방향 치수 H₁ 또는 시일 핀(14B)과 시일 핀(14C) 사이의 로터축 방향 치수 H₂의 2배 이상(본 실시 형태에서는, 2∼3배 정도)으로 설정되어 있다. 또한, 시일 핀(14C)과 단차 측면(22) 사이의 로터축 방향 치수 H₄는, 전술한 치수 H₁ 또는 H₂보다 크게 되어 있다.

상술한 구조에 의해, 최종단의 시일 핀(14D)과 최종단보다 1개 앞의 단의 시일 핀(14C)과 그들 시일 핀(14C, 14D) 사이에 위치하는 홈부(12)의 내주면의 일부분으로 구획된 순환류 생성실(17A)이 형성되어 있다. 그리고, 시일 핀(14C)의 선단과 슈라우드(6C)의 외주면(21b)의 간극을 통과한 누설 증기가 순환류 생성실(17A)로 유입되고, 시일 핀(14D) 등에 충돌하여, 순환류 A2를 생성하도록 되어 있다.

또한, 홈부(12)의 내주면에는, 시일 핀(14C, 14D)의 사이에 위치하도록[바꾸어 말하면, 순환류 생성실(17A) 내에 위치하도록], 주위 방향으로 소정의 간격으로 배열된 복수의 차폐판(18A)이 고정되어 있다. 차폐판(18A)은, 로터축 방향 및 로터 반경 방향으로 연장되는 것이며, 본 실시 형태에서는, 로터(4)의 회전의 접선 방향에 대해 수직으로 되도록 배치된 평판이다. 그리고, 순환류 생성실(17A)에 유입된 누설 증기(바꾸어 말하면, 순환류 A2)가 차폐판(18A)에 충돌함으로써, 순환류 A2의 주위 방향 속도 성분을 억제하도록 되어 있다. 이와 같이 생성된 순환류 A2의 간섭에 의해, 간극 유로(13)로부터 주 유로(7)의 동익(5)의 하류측으로 유출되는 누설 증기의 흐름 B4에 대해, 주위 방향 속도 성분을 효과적으로 제거할 수 있다. 바꾸어 말하면, 예를 들어 특허문헌 1에 기재된 바와 같이 안내판에 누설 증기를 통과시키는 경우와 비교하여, 누설 증기의 주위 방향 속도의 대소에 관계없이, 주위 방향 속도 성분을 효과적으로 제거할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 다이어프램 외륜(1A)의 내주면(8b)은, 시일 핀(14D)의 선단보다, 로터 직경 방향 외측에 위치하고 있다. 이에 의해, 간극 유로(13)로부터 주 유로(7)의 동익(5)의 하류측으로 유출되는 누설 증기가, 로터축 방향을 향하도록 되어 있다. 또한, 증기 터빈의 기동시 등에, 정지체측과 회전체측의 열연신차에 의해 정지체측과 회전체측의 상대 위치 관계가 축 방향으로 크게 어긋나는 경우라도, 슈라우드(6C)의 하류측 단부와 다이어프램 외륜(1)이 충돌하지 않도록 되어 있다.

이상과 같은 본 실시 형태에 있어서도, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 혼합 손실 등의 저감 효과를 높일 수 있다.

또한, 이상에 있어서는, 본 발명의 적용 대상으로서, 축류 터빈 중 하나인 증기 터빈을 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 가스 터빈 등에 적용해도 된다. 이 경우도, 상기와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

1, 1A : 다이어프램 외륜
2 : 정익
3 : 다이어프램 내륜
4 : 로터
5 : 동익
6, 6A, 6B, 6C : 슈라우드
7 : 주 유로
12 : 홈부
13 : 간극 유로
14A∼14D : 시일 핀
16 : 돌기부
17, 17A : 순환류 생성실
18, 18A : 차폐판
20 : 외측 돌기부
21a, 21b : 외주면
22 : 단차 측면

Claims

정지체의 내주측에 설치되고, 주위 방향으로 배열된 복수의 정익과,
회전체의 외주측에 설치되고, 주위 방향으로 배열된 복수의 동익과,
상기 복수의 정익이 배치되는 동시에, 그들의 하류측에 상기 복수의 동익이 배치되어, 작동 유체가 유통하는 주 유로와,
상기 복수의 동익의 외주측에 설치된 슈라우드와,
상기 정지체에 형성되고, 상기 슈라우드를 수납하는 환 형상의 홈부와,
상기 홈부와 상기 슈라우드 사이에서 형성되고, 상기 주 유로의 상기 정익의 하류측으로부터 작동 유체의 일부가 유입되어, 상기 주 유로의 상기 동익의 하류측으로 유출되는 간극 유로와,
상기 간극 유로에 설치된 복수단의 시일 핀과,
상기 간극 유로의 하류측에 형성된 순환류 생성실과,
상기 순환류 생성실을 형성하는, 직경 방향 외측을 향한 벽면과,
상기 순환류 생성실 내에 위치하도록 상기 정지체에 고정되고, 상기 회전체의 축 방향 및 반경 방향으로 연장되는 복수의 차폐판을 갖는 것을 특징으로 하는, 축류 터빈.
제1항에 있어서, 상기 홈부의 하류측 측면으로부터 상기 슈라우드의 하류측 단부면을 향해 돌출되는 환 형상의 제1 돌기부를 설치하고 있고,
상기 순환류 생성실은, 상기 복수단의 시일 핀 중 최종단의 시일 핀보다 하류측에 위치하는 상기 홈부의 내주면의 일부분과 상기 홈부의 하류측 측면과 상기 제1 돌기부의 외주면으로 구획되고, 상기 직경 방향 외측을 향한 벽면은 상기 제1 돌기부의 외주면인 것을 특징으로 하는, 축류 터빈.
제2항에 있어서, 상기 슈라우드의 하류측 단부면에, 상기 제1 돌기부보다 상기 회전체의 반경 방향 외측에 위치하는 환 형상의 외측 돌기부를 설치하고,
상기 외측 돌기부의 외주면은, 상기 회전체의 축 방향의 상류측으로부터 하류측을 향해 상기 회전체의 반경 방향의 내측으로부터 외측으로 경사진 것을 특징으로 하는, 축류 터빈.
제1항에 있어서, 상기 복수단의 시일 핀은, 상기 홈부의 내주면에 설치되어 있고,
상기 슈라우드는, 상기 복수단의 시일 핀 중 최종단의 시일 핀이 대향하는 제1 외주면과, 상기 제1 외주면보다 로터 반경 방향 외측에 위치하여, 최종단으로부터 1개 앞의 단의 시일 핀이 대향하는 제2 외주면과, 상기 제1 외주면과 제2 외주면 사이에서 형성된 단차 측면을 갖고,
상기 최종단의 시일 핀의 선단은, 상기 제2 외주면보다 로터 반경 방향 내측에 위치하고,
상기 최종단의 시일 핀과 상기 최종단보다 1개 앞의 단의 시일 핀 사이의 로터축 방향 치수, 및 상기 최종단의 시일 핀과 상기 단차 측면 사이의 로터축 방향 치수는, 다른 시일 핀 사이의 로터축 방향 치수보다 크고,
상기 순환류 생성실은, 상기 최종단의 시일 핀과 상기 최종단보다 1개 앞의 단의 시일 핀과 그들 시일 핀의 사이에 위치하는 상기 홈부의 내주면의 일부분으로 구획되고,
상기 직경 방향 외측을 향한 벽면은 상기 제1 외주면인 것을 특징으로 하는, 축류 터빈.