KR102318119B1

KR102318119B1 - 축류 터빈

Info

Publication number: KR102318119B1
Application number: KR1020190160349A
Authority: KR
Inventors: 시게키 세노; 가즈히로 몸마
Original assignee: 미츠비시 파워 가부시키가이샤
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2021-10-28
Also published as: CN111622811A; KR20200105387A; US20200277870A1; CN111622811B; JP7130575B2; DE102019220028A1; JP2020139464A

Abstract

간섭 손실이나 2차 흐름 손실을 저감함과 함께, 혼합 손실을 저감할 수 있는 축류 터빈을 제공한다.
축류 터빈은, 다이어프램 외륜(2)의 내주측에 마련된 복수의 정익(3)과, 복수의 정익(3)의 내주측에 마련된 다이어프램 내륜(4)과, 로터(5)의 외주측에 마련된 복수의 동익(6)과, 복수의 동익(6)의 외주측에 마련된 슈라우드(7)와, 주 유로(8)와, 캐비티(13A)를 갖는다. 주 유로(8)는, 다이어프램 외륜(2)의 내주면(9)과 다이어프램 내륜(4)의 외주면(10) 사이에 형성된 유로와, 슈라우드(7)의 내주면(11)과 로터(5)의 외주면(12) 사이에 형성된 유로로 구성되어 있다. 캐비티(13A)는, 다이어프램 내륜(4)과 로터(5) 사이에 형성되어 있다. 로터(5)의 외주면(12)은, 복수의 돌기부(15) 및 복수의 오목부(16)를 갖는다. 각 오목부(16)는, 주 유로(8)의 정익(3)을 통과한 작동 유체의 상대적인 흐름 방향을 따라 연장된다.

Description

축류 터빈{AXIAL FLOW TURBINE}

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

축류 터빈은, 예를 들어 케이싱의 내주측에 마련된 환상의 다이어프램 외륜과, 다이어프램 외륜의 내주측에 마련되고, 주위 방향으로 배열된 복수의 정익과, 복수의 정익의 내주측에 마련된 환상의 다이어프램 내륜과, 로터와, 로터의 외주측에 마련되고, 주위 방향으로 배열된 복수의 동익과, 복수의 동익의 외주측에 마련된 환상의 슈라우드를 구비한다.

축류 터빈의 주 유로는, 다이어프램 외륜의 내주면과 다이어프램 내륜의 외주면 사이에 형성된 유로와, 슈라우드의 내주면과 로터의 외주면 사이에 형성된 유로로 구성되어 있다. 주 유로에는, 복수의 정익(바꾸어 말하면, 하나의 정익 열)이 배치됨과 함께, 그것들의 하류측에 복수의 동익(바꾸어 말하면, 하나의 동익 열)이 배치되어 있고, 이들 정익과 동익의 조합이 하나의 단락을 구성하고 있다. 일반적으로, 축 방향으로 복수 단 마련되어 있다. 주 유로를 흐르는 작동 유체는, 정익에 의해 증속, 전향되고, 그 후, 동익에 대해 회전력을 부여하도록 되어 있다.

다이어프램 내륜과 로터 사이에는, 제1 캐비티가 형성되어 있다. 작동 유체의 일부는, 주 유로의 정익의 상류측으로부터 제1 캐비티로 유입되고, 제1 캐비티로부터 주 유로의 정익의 하류측으로 유출된다. 이 작동 유체는, 정익에 의해 증속, 전향되어 있지 않으므로, 손실이 발생한다. 이 손실을 저감하기 위해, 제1 캐비티에는, 래비린스 시일이 마련되어 있다.

슈라우드와 케이싱 또는 다이어프램 외륜의 사이에는, 제2 캐비티가 형성되어 있다. 작동 유체의 일부는, 주 유로의 동익의 상류측으로부터 제2 캐비티로 유입되고, 제2 캐비티로부터 주 유로의 동익의 하류측으로 유출된다. 이 작동 유체는, 동익에 대해 회전력을 부여하지 않으므로, 손실이 발생한다. 이 손실을 저감하기 위해, 제2 캐비티에는, 래비린스 시일이 마련되어 있다.

특허문헌 1은, 예를 들어 제1 캐비티로부터 동익의 블레이드 사이 유로를 향하는 흐름의 압력 손실을 억제하기 위한, 로터의 외주면의 구조를 제안하고 있다. 상세하게 설명하면, 로터의 외주면은, 주위 방향으로 교대로 배치된 복수의 돌기부 및 복수의 오목부를 갖는다. 복수의 돌기부의 각각은, 주위 방향에 있어서 동익의 전방 에지 위치를 포함하는 범위에, 축 방향에 있어서 동익의 전방 에지 위치보다 상류측에 형성되어 있다. 복수의 오목부의 각각은, 주위 방향에 있어서 인접하는 동익의 전방 에지의 사이에 위치하고, 축 방향에 있어서 동익의 전방 에지 위치보다 상류측에 형성되어 있다.

일본 특허 공개 제2008-248701호 공보

그런데, 예를 들어 주 유로의 정익을 통과한 작동 유체의 절대적인 흐름(상세하게는, 정지체측을 기준으로 한 흐름)은, 큰 주위 방향 속도 성분을 갖는 것에 비해, 제1 캐비티로부터 주 유로로 유출되는 작동 유체의 절대적인 흐름은, 작은 주위 방향 속도 성분을 갖는다. 달리 말하면, 주 유로의 정익을 통과한 작동 유체의 상대적인 흐름(상세하게는, 회전체측을 기준으로 한 흐름)은, 로터의 회전 방향의 주위 방향 속도 성분을 갖는 것에 비해, 제1 캐비티로부터 주 유로로 유출되는 작동 유체의 상대적인 흐름은, 로터의 회전 방향과는 반대인 주위 방향 속도 성분을 갖는다. 그 때문에, 정익으로부터의 흐름과 제1 캐비티로부터의 흐름이 합류할 때에 혼합 손실이 발생한다. 특허문헌 1의 로터의 외주면의 오목부는, 예를 들어 축 방향으로 연장되어 있고, 전술한 혼합 손실을 저감하는 점이 고려되어 있지 않았다.

본 발명의 목적은, 간섭 손실이나 2차 흐름 손실을 저감함과 함께, 혼합 손실을 저감할 수 있는 축류 터빈을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 대표적인 본 발명은, 케이싱의 내주측에 마련된 다이어프램 외륜과, 상기 다이어프램 외륜의 내주측에 마련되고, 주위 방향으로 배열된 복수의 정익과, 상기 복수의 정익의 내주측에 마련된 다이어프램 내륜과, 로터와, 상기 로터의 외주측에 마련되고, 상기 복수의 정익의 하류측에 위치함과 함께 주위 방향으로 배열된 복수의 동익과, 상기 복수의 동익의 외주측에 마련된 슈라우드와, 상기 다이어프램 외륜의 내주면과 상기 다이어프램 내륜의 외주면 사이에 형성된 유로와 상기 슈라우드의 내주면과 상기 로터의 외주면 사이에 형성된 유로로 구성되고, 작동 유체가 유통하는 주 유로와, 상기 다이어프램 내륜과 상기 로터 사이에 형성되고, 작동 유체의 일부가 상기 주 유로의 상기 정익의 상류측으로부터 유입되어 상기 주 유로의 상기 정익의 하류측으로 유출되는 캐비티를 구비한 축류 터빈에 있어서, 상기 로터의 외주면은, 주위 방향으로 교대로 배치된 복수의 돌기부 및 복수의 오목부를 갖고, 상기 복수의 돌기부의 각각은, 주위 방향에 있어서 상기 동익의 전방 에지 위치를 포함하는 범위에, 축 방향에 있어서 상기 로터의 외주면의 전방 에지 위치를 포함하는 범위에 형성되어 있고, 상기 복수의 오목부의 각각은, 주위 방향에 있어서 인접하는 상기 동익의 전방 에지 사이에 위치하고, 축 방향에 있어서 상기 로터의 외주면의 전방 에지 위치를 포함하는 범위에 형성되고, 또한 상기 주 유로의 상기 정익을 통과한 작동 유체의 상기 로터에 대한 상대적인 흐름 방향을 따라 연장된다.

본 발명에 따르면, 간섭 손실이나 2차 흐름 손실을 저감함과 함께, 혼합 손실을 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 증기 터빈의 부분 구조를 모식적으로 도시하는 축 방향 단면도이다.
도 2는 도 1 중 단면 Ⅱ-Ⅱ에 의한 주위 방향 단면도이며, 주 유로 내의 흐름을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 주 유로의 정익의 하류측의 흐름과 제1 캐비티의 출구측의 흐름의 차이를 나타내는 도면과 로터의 외주면의 구조를 나타내는 전개도이다.
도 4는 도 3 중 화살표 Ⅳ 방향으로부터 본 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 주 유로의 동익의 하류측의 흐름과 제2 캐비티의 출구측의 흐름의 차이를 나타내는 도면과 다이어프램 외륜의 내주면의 구조를 나타내는 전개도이다.
도 6은 도 5 중 화살표 Ⅵ 방향으로부터 본 도면이다.

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

도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 증기 터빈의 부분 구조를 모식적으로 도시하는 축 방향 단면도이다. 도 2는, 도 1 중 단면 Ⅱ-Ⅱ에 의한 주위 방향 단면도이며, 주 유로 내의 흐름을 나타낸다.

본 실시 형태의 증기 터빈은, 케이싱(1)의 내주측에 마련된 환상의 다이어프램 외륜(2)과, 이 다이어프램 외륜(2)의 내주측에 마련된 복수의 정익(3)과, 이들 정익(3)의 내주측에 마련된 환상의 다이어프램 내륜(4)을 구비하고 있다. 복수의 정익(3)은 다이어프램 외륜(2)과 다이어프램 내륜(4) 사이에, 주위 방향으로 소정의 간격으로 배열되어 있다.

또한, 증기 터빈은, 로터(5)와, 이 로터(5)의 외주측에 마련된 복수의 동익(6)과, 이들 동익(6)의 외주측에 마련된 환상의 슈라우드(7)를 구비하고 있다. 복수의 동익(6)은, 로터(5)와 슈라우드(7) 사이에, 주위 방향으로 소정의 간격으로 배열되어 있다.

증기 터빈의 주 유로(8)는, 다이어프램 외륜(2)의 내주면(9)과 다이어프램 내륜(4)의 외주면(10) 사이에 형성된 유로나, 슈라우드(7)의 내주면(11)과 로터(5)의 외주면(12) 사이에 형성된 유로로 구성되어 있다. 즉, 다이어프램 외륜(2)은, 복수의 정익(3)의 외주측을 연결함과 함께, 주 유로(8)의 벽면을 구성하는 내주면(9)을 갖는다. 다이어프램 내륜(4)은, 복수의 정익(3)의 내주측을 연결함과 함께, 주 유로(8)의 벽면을 구성하는 외주면(10)을 갖는다. 슈라우드(7)는, 복수의 동익(6)의 외주측을 연결함과 함께, 주 유로(8)의 벽면을 구성하는 내주면(11)을 갖는다. 로터(5)는, 복수의 동익(6)의 내주측을 연결함과 함께, 주 유로(8)의 벽면을 구성하는 외주면(12)을 갖는다.

주 유로(8)에는, 복수의 정익(3)(바꾸어 말하면, 하나의 정익 열)이 배치됨과 함께, 그것들의 하류측(도 1 중 우측)에 복수의 동익(6)(바꾸어 말하면, 하나의 동익 열)이 배치되어 있고, 이들 정익(3)과 동익(6)의 조합이 하나의 단락을 구성하고 있다. 또한, 도 1에는, 편의상, 1단째의 동익(6)과, 2단째의 정익(3) 및 동익(6)밖에 도시되어 있지 않지만, 일반적으로는, 증기(작동 유체)의 내부 에너지를 효율적으로 회수하기 위해, 축 방향으로 3단 이상 마련되어 있다.

주 유로(8) 내의 증기는, 도 1 중 백색 화살표로 나타내는 바와 같이 흐르고 있다. 그리고 정익(3)에서 증기의 내부 에너지(바꾸어 말하면, 압력 에너지 등)가 운동 에너지(바꾸어 말하면, 속도 에너지)로 변환되고, 동익(6)에서 증기의 운동 에너지가 로터(5)의 회전 에너지로 변환된다. 또한, 로터(5)의 단부에는 발전기(도시하지 않음)가 접속되어 있고, 이 발전기에 의해 로터(5)의 회전 에너지가 전기 에너지로 변환되도록 되어 있다.

주 유로(8) 내의 증기의 흐름(주 흐름)에 대해, 도 2를 사용하여 설명한다. 증기는, 정익(3)의 전방 에지측(도 2 중 상측)으로부터 절대 속도 벡터 C1(상세하게는, 주위 방향 속도 성분을 거의 갖지 않는 절대적인 흐름)로 유입된다. 그리고 정익(3)의 사이를 통과할 때에 증속, 전향되어 절대 속도 벡터 C2(상세하게는, 큰 주위 방향 속도 성분을 갖는 절대적인 흐름)가 되어, 정익(3)의 후방 에지측(도 2 중 하측)으로부터 유출된다. 정익(3)으로부터 유출된 증기의 대부분은, 동익(6)에 충돌하여 로터(5)를 속도 U로 회전시킨다. 이때, 증기는, 동익(6)을 통과할 때에 감속, 전향되어, 상대 속도 벡터 W2로부터 상대 속도 벡터 W3이 된다. 따라서, 동익(6)으로부터 유출되는 증기는, 절대 속도 벡터 C3(상세하게는, 주위 방향 속도 성분을 거의 갖지 않는 절대적인 흐름)이 된다.

상술한 도 1로 돌아가, 다이어프램 내륜(4)과 로터(5) 사이에는 캐비티(13A(제1 캐비티))가 형성되어 있다. 증기의 일부는, 주 유로(8)의 정익(3)의 상류측으로부터 캐비티(13A)로 유입되고, 캐비티(13A)로부터 주 유로(8)의 정익(3)의 하류측으로 유출된다. 이 증기는, 정익(3)에 의해 증속, 전향되어 있지 않으므로, 손실이 발생한다. 이 손실을 저감하기 위해, 캐비티(13A)에는 래비린스 시일(14A)이 마련되어 있다. 래비린스 시일(14A)은, 예를 들어 다이어프램 내륜(4)측에 마련된 복수의 핀과, 로터(5)측에 형성된 복수의 돌기로 구성되어 있다.

슈라우드(7)와 케이싱(1) 사이에는 캐비티(13B(제2 캐비티))가 형성되어 있다. 증기의 일부는, 주 유로(8)의 동익(6)의 상류측으로부터 캐비티(13B)로 유입되고, 캐비티(13B)로부터 주 유로(8)의 동익(6)의 하류측으로 유출된다. 이 증기는, 동익(6)에 대해 회전력을 부여하지 않으므로, 손실이 발생한다. 이 손실을 저감하기 위해, 캐비티(13B)에는 래비린스 시일(14B)이 마련되어 있다. 래비린스 시일(14B)은, 예를 들어 케이싱(1)측에 마련된 복수의 핀과, 슈라우드(7)측에 형성된 복수의 돌기로 구성되어 있다.

그런데, 일반적으로, 주 유로(8)의 동익(6)의 입구측에서는, 주위 방향의 압력 분포가 발생한다. 상세하게 설명하면, 주위 방향에 있어서 동익(6)의 전방 에지의 근방의 영역에서는, 정압이 비교적 높아진다. 그 때문에, 이 영역에서는, 주 유로(8)로부터 캐비티(13A)를 향하는 누출 흐름이 발생한다. 한편, 주위 방향에 있어서 인접하는 동익(6)의 전방 에지의 중간의 영역에서는, 정압이 비교적 낮아진다. 그 때문에, 이 영역에서는, 캐비티(13A)로부터 주 유로(8)를 향하는 분출 흐름이 발생한다. 그리고 주위 방향에 있어서의 흐름의 차이에 의해, 간섭 손실이 커진다. 또한, 전술한 흐름의 차이의 영향을 받아, 동익(6)의 2차 흐름 손실이 커진다.

또한, 일반적으로, 주 유로(8)의 정익(3)을 통과한 증기의 흐름과 캐비티(13A)로부터 주 유로(8)로 유출되는 증기의 흐름이 상이하다. 상세하게 설명하면, 주 유로(8)의 정익(3)의 상류측에 있어서의 증기는, 도 2에 도시하는 바와 같이 주위 방향 속도 성분을 거의 갖지 않는 절대적인 흐름이며, 주 유로(8)로부터 캐비티(13A)로 유입되는 증기도, 주위 방향 속도 성분을 거의 갖지 않는 절대적인 흐름이다. 그러나 증기가 캐비티(13A)를 흐를 때에 로터(5)의 회전의 영향을 받으므로, 후술하는 도 3의 (a)에 나타내는 바와 같이, 캐비티(13A)로부터 주 유로(8)로 유출되는 증기는, 절대 속도 벡터 C4(상세하게는, 작은 주위 방향 속도 성분을 갖는 절대적인 흐름)가 된다. 바꾸어 말하면, 캐비티(13A)로부터 주 유로(8)로 유출되는 증기는, 상대 속도 벡터 W4(상세하게는, 로터(5)의 회전 방향과는 반대인 주위 방향 속도 성분을 갖는 상대적인 흐름)가 된다.

한편, 주 유로(8)의 정익(3)을 통과한 증기는, 도 2 및 후술하는 도 3의 (a)에 나타내는 바와 같이 절대 속도 벡터 C2(상세하게는, 큰 주위 방향 속도 성분을 갖는 절대적인 흐름)로 되어 있다. 바꾸어 말하면, 주 유로(8)의 정익(3)을 통과한 증기는, 상대 속도 벡터 W2(상세하게는, 로터(5)의 회전 방향의 주위 방향 속도 성분을 갖는 상대적인 흐름)로 되어 있다. 그 때문에, 정익(3)으로부터의 흐름과 캐비티(13A)로부터의 흐름이 합류할 때에 혼합 손실이 발생한다.

그래서 본 실시 형태에서는, 로터(5)의 외주면(12)은, 상술한 간섭 손실이나 2차 흐름 손실을 저감함과 함께, 상술한 혼합 손실을 저감하기 위한 구조를 갖고 있다. 그 상세를, 도 3의 (a), 도 3의 (b) 및 도 4를 사용하여 설명한다. 도 3의 (a)는, 본 실시 형태에 있어서의 주 유로의 정익의 하류측의 흐름과 제1 캐비티의 출구측의 흐름의 차이를 나타내는 도면이다. 도 3의 (b)는, 본 실시 형태에 있어서의 로터의 외주면의 구조를 나타내는 전개도이다. 도 4는, 도 3의 (b) 중 화살표 Ⅳ 방향으로부터 본 도면이다. 또한, 도 3의 (b) 중의 점선은, 돌기부 및 오목부의 등고선을 나타내고 있다.

본 실시 형태의 로터(5)의 외주면(12)은, 대략 원통면이며, 이 원통면으로부터 반경 방향의 외측으로 돌출된 복수의 돌기부(15)와, 원통면으로부터 반경 방향의 내측으로 오목한 복수의 오목부(16)를 갖고 있다. 돌기부(15) 및 오목부(16)는, 주위 방향으로 교대로 배치되어 있다.

각 돌기부(15)는, 주위 방향에 있어서 동익(6)의 전방 에지 위치 P1을 포함하는 범위에 형성되어 있다. 구체적으로 설명하면, 예를 들어 동익(6)의 최대 폭 D1과 동일한 범위이며, 그 중심 위치가 동익(6)의 전방 에지 위치 P1과 동일하다. 또한, 각 돌기부(15)는, 축 방향에 있어서 로터(5)의 외주면(12)의 전방 에지 위치를 포함하고, 또한 동익(6)의 전방 에지 위치 P1보다 상류측만을 포함하는 범위에 형성되어 있다. 또한, 각 돌기부(15)는 축 방향을 따라 연장된다.

각 오목부(16)는, 주위 방향에 있어서 인접하는 동익(6)의 전방 에지의 사이에 위치한다. 구체적으로 설명하면, 예를 들어 블레이드 사이의 피치 길이 L1과 동익(6)의 최대 폭 D1의 차분인 범위이며, 그 중심 위치가 인접하는 동익(6)의 전방 에지의 중간에 위치한다. 또한, 각 오목부(16)는, 축 방향에 있어서 로터(5)의 외주면(12)의 전방 에지 위치를 포함하고, 동익(6)의 전방 에지 위치 P1보다 상류측뿐만 아니라 하류측을 포함하며, 또한 동익(6)의 최대 폭 D1을 취하는 위치 P3보다 하류측을 포함하지 않는 범위에 형성되어 있다.

상술한 로터(5)의 외주면(12)의 돌기부(15)에 의해, 그 주위 방향의 범위에 있어서의 주 유로(8)의 폭이 축소된다. 이에 의해, 그 주위 방향의 범위에 있어서의 증기의 유속이 상승하고, 정압이 저하된다. 또한, 상술한 로터(5)의 외주면(12)의 오목부(16)에 의해, 그 주위 방향의 범위에 있어서의 주 유로(8)의 폭이 확대된다. 이에 의해, 그 주위 방향의 범위에 있어서의 증기의 유속이 저하되고, 정압이 상승한다. 따라서, 주위 방향에 있어서의 압력차를 저감하여, 주위 방향에 있어서의 흐름의 차이를 억제할 수 있다. 그 결과, 간섭 손실이나 2차 흐름 손실을 저감할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 각 오목부(16)는, 주 유로(8)의 정익(3)을 통과한 증기의 상대적인 흐름 방향(바꾸어 말하면, 상대 속도 벡터 W2의 방향)을 따라 연장되어 있다. 상세하게 설명하면, 주위 방향에 있어서의 오목부(16)의 각 단면은, 예를 들어 대략 삼각 형상을 이루고, 각 단면의 바닥을 연결한 직선이 증기의 상대적인 흐름 방향으로 되어 있다. 또한, 각 오목부(16)는, 증기의 상대적인 흐름 방향을 따라 점차 얕아지도록 형성되어 있다. 그리고 캐비티(13A)로부터의 증기가 로터(5)의 외주면(12)의 오목부(16)를 따라 흐름으로써, 전향된다. 특히, 본 실시 형태에서는, 각 오목부(16)는, 축 방향에 있어서 동익(6)의 전방 에지 위치 P1보다 상류측뿐만 아니라 하류측도 포함하는 범위에 형성되어 있으므로, 흐름 전향 작용을 충분히 얻을 수 있다. 이에 의해, 캐비티(13A)로부터의 증기를 상대 속도 벡터 W2의 방향으로 전향하여, 혼합 손실의 저감을 도모할 수 있다.

또한, 제1 실시 형태에 있어서, 돌기부(15)는, 주위 방향에 있어서 동익(6)의 최대 폭 D1과 동일한 범위에서 형성된 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 주위 방향에 있어서 동익(6)의 최대 폭 D1의 0.9∼1.1배의 범위 내에서 형성되어도 된다. 또한, 제1 실시 형태에 있어서, 돌기부(15)는, 주위 방향에 있어서 중심 위치가 동익(6)의 전방 에지 위치 P1과 동일한 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 주위 방향에 있어서 동익(6)의 전방 에지 위치 P1을 포함하는 범위에 형성되어 있으면, 중심 위치가 동익(6)의 전방 에지 위치 P1과 상이해도 된다. 또한, 제1 실시 형태에 있어서, 돌기부(15)는, 축 방향으로 연장되는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 오목부(16)와 마찬가지로, 주 유로(8)의 정익(3)을 통과한 증기의 로터(5)에 대한 상대적인 흐름 방향(바꾸어 말하면, 상대 속도 벡터 W2의 방향)을 따라 연장되어도 된다.

또한, 제1 실시 형태에 있어서, 오목부(16)는, 주위 방향에 있어서 돌기부(15)와 연속되도록 형성된 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 주위 방향에 있어서 돌기부(15)와 연속되지 않도록 형성되어도 된다. 또한, 제1 실시 형태에 있어서, 오목부(16)는, 축 방향에 있어서 동익(6)의 전방 에지 위치 P1보다 상류측뿐만 아니라 하류측도 포함하는 범위에 형성된 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않는다. 즉, 오목부(16)는, 흐름 전향 작용이 충분히 얻어지지는 않지만, 축 방향에 있어서 동익(6)의 전방 에지 위치 P1보다 상류측만을 포함하는 범위에 형성되어도 된다.

본 발명의 제2 실시 형태를 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 제1 실시 형태와 동등한 부분은 동일한 부호를 붙이고, 적절하게, 설명을 생략한다.

일반적으로, 주 유로(8)의 정익(3)의 입구측에서는, 주위 방향의 압력 분포가 발생한다. 상세하게 설명하면, 주위 방향에 있어서 정익(3)의 전방 에지의 근방의 영역에서는, 정압이 비교적 높아진다. 그 때문에, 이 영역에서는, 주 유로(8)로부터 캐비티(13B)로 향하는 누출 흐름이 발생한다. 한편, 주위 방향에 있어서 인접하는 정익(3)의 전방 에지의 중간의 영역에서는, 정압이 비교적 낮아진다. 그 때문에, 이 영역에서는, 캐비티(13B)로부터 주 유로(8)를 향하는 분출 흐름이 발생한다. 그리고 주위 방향에 있어서의 흐름의 차이에 의해, 간섭 손실이 커진다. 또한, 전술한 흐름의 차이의 영향을 받아, 정익(3)의 2차 흐름 손실이 커진다.

또한, 일반적으로, 주 유로(8)의 동익(6)을 통과한 증기의 흐름과 캐비티(13B)로부터 주 유로(8)로 유출되는 증기의 흐름이 상이하다. 상세하게 설명하면, 주 유로(8)의 동익(6)의 상류측에 있어서의 증기는, 상술한 도 2에 도시하는 바와 같이 큰 주위 방향 속도 성분을 갖는 절대적인 흐름이고, 주 유로(8)로부터 캐비티(13B)로 유입되는 증기도, 큰 주위 방향 속도 성분을 갖는 절대적인 흐름이다. 그 때문에, 후술하는 도 5의 (a)에 나타내는 바와 같이, 캐비티(13B)로부터 주 유로(8)로 유출되는 증기는, 절대 속도 벡터 C5(상세하게는, 큰 주위 방향 속도 성분을 갖는 절대적인 흐름)가 된다. 한편, 주 유로(8)의 동익(6)을 통과한 증기는, 상술한 도 2 및 후술하는 도 5의 (a)에 나타내는 바와 같이 절대 속도 벡터 C3(상세하게는, 주위 방향 속도 성분을 거의 갖지 않는 절대적인 흐름)으로 되어 있다. 그 때문에, 동익(6)으로부터의 흐름과 캐비티(13B)로부터의 흐름이 합류할 때에 혼합 손실이 발생한다.

그래서 본 실시 형태에서는, 다이어프램 외륜(2)의 내주면(9)은, 상술한 간섭 손실이나 2차 흐름 손실을 저감함과 함께, 상술한 혼합 손실을 저감하기 위한 구조를 갖고 있다. 그 상세를, 도 5의 (a), 도 5의 (b) 및 도 6을 사용하여 설명한다.

도 5의 (a)는, 본 실시 형태에 있어서의 주 유로의 동익의 하류측의 흐름과 제2 캐비티의 출구측의 흐름의 차이를 나타내는 도면이다. 도 5의 (b)는, 본 실시 형태에 있어서의 다이어프램 외륜의 내주면의 구조를 나타내는 전개도이다. 도 6은, 도 5의 (b) 중 화살표 Ⅵ 방향으로부터 본 도면이다. 또한, 도 5의 (b) 중의 점선은, 돌기부 및 오목부의 등고선을 나타내고 있다.

본 실시 형태의 다이어프램 외륜(2)의 내주면(9)은, 대략 원통면이며, 이 원통면으로부터 반경 방향의 내측으로 돌출된 복수의 돌기부(17)와, 원통면으로부터 반경 방향의 외측으로 오목한 복수의 오목부(18)를 갖고 있다. 돌기부(17) 및 오목부(18)는, 주위 방향으로 교대로 배치되어 있다.

각 돌기부(17)는, 주위 방향에 있어서 정익(3)의 전방 에지 위치 P2를 포함하는 범위에 형성되어 있다. 구체적으로 설명하면, 예를 들어 정익(3)의 최대 폭 D2와 동일한 범위이며, 그 중심 위치가 정익(3)의 전방 에지 위치 P2와 동일하다. 또한, 각 돌기부(17)는, 축 방향에 있어서 다이어프램 외륜(2)의 내주면(9)의 전방 에지 위치를 포함하고, 또한 정익(3)의 전방 에지 위치 P2보다 상류측만을 포함하는 범위에 형성되어 있다. 또한, 각 돌기부(17)는, 축 방향을 따라 연장된다.

각 오목부(18)는, 주위 방향에 있어서 인접하는 정익(3)의 전방 에지의 사이에 위치한다. 구체적으로 설명하면, 예를 들어 블레이드 사이의 피치 길이 L2와 정익(3)의 최대 폭 D2의 차분인 범위이며, 그 중심 위치가 인접하는 정익(3)의 전방 에지의 중간에 위치한다. 또한, 각 오목부(18)는, 축 방향에 있어서 다이어프램 외륜(2)의 내주면(9)의 전방 에지 위치를 포함하고, 정익(3)의 전방 에지 위치 P2보다 상류측뿐만 아니라 하류측을 포함하고, 또한 정익(3)의 최대 폭 D2를 취하는 위치 P4보다 하류측을 포함하지 않는 범위에 형성되어 있다.

상술한 다이어프램 외륜(2)의 내주면(9)의 돌기부(17)에 의해, 그 주위 방향의 범위에 있어서의 주 유로(8)의 폭이 축소된다. 이에 의해, 그 주위 방향의 범위에 있어서의 증기의 유속이 상승하고, 정압이 저하된다. 또한, 상술한 다이어프램 외륜(2)의 내주면(9)의 오목부(18)에 의해, 그 주위 방향의 범위에 있어서의 주 유로(8)의 폭이 확대된다. 이에 의해, 그 주위 방향의 범위에 있어서의 증기의 유속이 저하되고, 정압이 상승한다. 따라서, 주위 방향에 있어서의 압력차를 저감하여, 주위 방향에 있어서의 흐름의 차이를 억제할 수 있다. 그 결과, 간섭 손실이나 2차 흐름 손실을 저감할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 각 오목부(18)는, 캐비티(13B)로부터 유출된 증기의 절대적인 흐름 방향(바꾸어 말하면, 절대 속도 벡터 C5의 방향)으로부터 주 유로(8)의 동익(6)을 통과한 증기의 절대적인 흐름 방향(바꾸어 말하면, 절대 속도 벡터 C3의 방향)으로 점차 향하도록 만곡되어 연장되어 있다. 상세하게 설명하면, 주위 방향에 있어서의 오목부(18)의 각 단면은, 예를 들어 대략 삼각 형상을 이루고, 각 단면의 바닥을 연결한 곡선이 절대 속도 벡터 C5의 방향으로부터 절대 속도 벡터 C3의 방향으로 변화되어 있다. 또한, 각 오목부(18)는, 전술한 곡선을 따라 점차 얕아지도록 형성되어 있다. 그리고 캐비티(13B)로부터의 증기가 다이어프램 외륜(2)의 내주면(9)의 오목부(18)를 따라 흐름으로써, 전향된다. 특히, 본 실시 형태에서는, 각 오목부(18)는, 축 방향에 있어서 정익(3)의 전방 에지 위치 P2보다 상류측뿐만 아니라 하류측도 포함하는 범위에 형성되어 있으므로, 흐름 전향 작용을 충분히 얻을 수 있다. 이에 의해, 캐비티(13B)로부터의 증기를 절대 속도 벡터 C3의 방향으로 전향하여, 혼합 손실의 저감을 도모할 수 있다.

또한, 제2 실시 형태에 있어서, 돌기부(17)는, 주위 방향에 있어서 정익(3)의 최대 폭 D2와 동일한 범위에서 형성된 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 주위 방향에 있어서 정익(3)의 최대 폭 D2의 0.9∼1.1배의 범위 내에서 형성되어도 된다. 또한, 제2 실시 형태에 있어서, 돌기부(17)는, 주위 방향에 있어서 중심 위치가 정익(3)의 전방 에지 위치 P2와 동일한 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 주위 방향에 있어서 정익(3)의 전방 에지 위치 P2를 포함하는 범위에 형성되어 있으면, 중심 위치가 정익(3)의 전방 에지 위치 P2와 상이해도 된다. 또한, 제2 실시 형태에 있어서, 돌기부(17)는, 축 방향으로 연장되는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 주 유로(8)의 동익(6)을 통과한 증기의 절대적인 흐름 방향(바꾸어 말하면, 절대 속도 벡터 C3의 방향)을 따라 연장되어도 된다.

또한, 제2 실시 형태에 있어서, 오목부(18)는, 주위 방향에 있어서 돌기부(17)와 연속되도록 형성된 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 주위 방향에 있어서 돌기부(17)와 연속되지 않도록 형성되어도 된다. 또한, 제2 실시 형태에 있어서, 오목부(18)는, 축 방향에 있어서 정익(3)의 전방 에지 위치 P2보다 상류측뿐만 아니라 하류측도 포함하는 범위에 형성된 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않는다. 즉, 오목부(18)는, 흐름 전향 작용이 충분히 얻어지지는 않지만, 축 방향에 있어서 정익(3)의 전방 에지 위치 P2보다 상류측만을 포함하는 범위에 형성되어도 된다.

또한, 제1 및 제2 실시 형태에 있어서는, 본 발명을 증기 터빈에 적용한 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않는다. 즉, 가스 터빈에 적용해도 된다.

1: 케이싱
2: 다이어프램 외륜
3: 정익
4: 다이어프램 내륜
5: 로터
6: 동익
7: 슈라우드
8: 주 유로
9: 다이어프램 외륜의 내주면
10: 다이어프램 내륜의 외주면
11: 슈라우드의 내주면
12: 로터의 외주면
13A: 캐비티
13B: 캐비티
15: 돌기부
16: 오목부
17: 돌기부
18: 오목부

Claims

케이싱의 내주측에 마련된 다이어프램 외륜과,
상기 다이어프램 외륜의 내주측에 마련되고, 주위 방향으로 배열된 복수의 정익과,
상기 복수의 정익의 내주측에 마련된 다이어프램 내륜과,
로터와,
상기 로터의 외주측에 마련되고, 상기 복수의 정익의 하류측에 위치함과 함께 주위 방향으로 배열된 복수의 동익과,
상기 복수의 동익의 외주측에 마련된 슈라우드와,
상기 다이어프램 외륜의 내주면과 상기 다이어프램 내륜의 외주면 사이에 형성된 유로와 상기 슈라우드의 내주면과 상기 로터의 외주면 사이에 형성된 유로로 구성되고, 작동 유체가 유통하는 주 유로와,
상기 다이어프램 내륜과 상기 로터 사이에 형성되고, 작동 유체의 일부가 상기 주 유로의 상기 정익의 상류측으로부터 유입되어 상기 주 유로의 상기 정익의 하류측으로 유출되는 캐비티를 구비한 축류 터빈에 있어서,
상기 로터의 외주면은, 주위 방향으로 교대로 배치된 복수의 돌기부 및 복수의 오목부를 갖고,
상기 복수의 돌기부의 각각은, 주위 방향에 있어서 상기 동익의 전방 에지 위치를 포함하는 범위에, 축 방향에 있어서 상기 로터의 외주면 전방 에지 위치를 포함하는 범위에 형성되어 있고,
상기 복수의 오목부의 각각은, 주위 방향에 있어서 인접하는 상기 동익의 전방 에지의 사이에 위치하고, 축 방향에 있어서 상기 로터의 외주면의 전방 에지 위치를 포함하는 범위에 형성되고, 또한 상기 주 유로의 상기 정익을 통과한 작동 유체의 상기 로터에 대한 상대적인 흐름 방향을 따라 축 방향으로부터 비스듬하게 연장된 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
제1항에 있어서,
상기 복수의 오목부의 각각은, 축 방향에 있어서 상기 동익의 전방 에지 위치보다 상류측을 포함하는 범위에 형성된 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
제2항에 있어서,
상기 복수의 오목부의 각각은, 축 방향에 있어서 상기 동익의 전방 에지 위치보다 하류측을 포함하고, 또한 상기 동익의 최대 폭을 취하는 위치보다 하류측을 포함하지 않는 범위에 형성된 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
케이싱의 내주측에 마련된 다이어프램 외륜과,
상기 다이어프램 외륜의 내주측에 마련되고, 주위 방향으로 배열된 복수의 정익과,
상기 복수의 정익의 내주측에 마련된 다이어프램 내륜과,
로터와,
상기 로터의 외주측에 마련되고, 상기 복수의 정익의 상류측에 위치함과 함께 주위 방향으로 배열된 복수의 동익과,
상기 복수의 동익의 외주측에 마련된 슈라우드와,
상기 다이어프램 외륜의 내주면과 상기 다이어프램 내륜의 외주면 사이에 형성된 유로와 상기 슈라우드의 내주면과 상기 로터의 외주면 사이에 형성된 유로로 구성된 주 유로와,
상기 슈라우드와 상기 케이싱 또는 상기 다이어프램 외륜의 사이에 형성되고, 작동 유체의 일부가 상기 주 유로의 상기 동익의 상류측으로부터 유입되어 상기 주 유로의 상기 동익의 하류측으로 유출되는 캐비티를 구비한 축류 터빈에 있어서,
상기 다이어프램 외륜의 내주면은, 주위 방향으로 교대로 배치된 복수의 돌기부 및 복수의 오목부를 갖고,
상기 복수의 돌기부의 각각은, 주위 방향에 있어서 상기 정익의 전방 에지 위치를 포함하는 범위에, 축 방향에 있어서 상기 다이어프램 외륜의 내주면의 전방 에지 위치를 포함하는 범위에 형성되어 있고,
상기 복수의 오목부의 각각은, 주위 방향에 있어서 인접하는 상기 정익의 전방 에지의 사이에 위치하고, 축 방향에 있어서 상기 다이어프램 외륜의 내주면의 전방 에지 위치를 포함하는 범위에 형성되고, 또한 상기 캐비티로부터 유출된 작동 유체의 절대적인 흐름 방향으로부터 상기 주 유로의 상기 동익을 통과한 작동 유체의 절대적인 흐름 방향으로 점차 향하도록 만곡되어 연장된 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
제4항에 있어서,
상기 복수의 오목부의 각각은, 축 방향에 있어서 상기 정익의 전방 에지 위치보다 상류측을 포함하는 범위에 형성된 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
제5항에 있어서,
상기 복수의 오목부의 각각은, 축 방향에 있어서 상기 정익의 전방 에지 위치보다 하류측을 포함하고, 또한 상기 정익의 최대 폭을 취하는 위치보다 하류측을 포함하지 않는 범위에 형성된 것을 특징으로 하는 축류 터빈.