KR20120010272A

KR20120010272A - 터빈

Info

Publication number: KR20120010272A
Application number: KR1020117028488A
Authority: KR
Inventors: 요시히로 구와무라; 가즈유끼 마쯔모또; 히로하루 오오야마; 요시노리 다나까; 아사하루 마쯔오
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2010-10-04
Publication date: 2012-02-02
Also published as: US20120121393A1; EP2487332A1; CN102449268B; EP2487332B1; CN102449268A; JP2011080452A; EP2487332A4; WO2011043286A1; KR101279191B1; US8784046B2

Abstract

블레이드(50)와, 이에 대해 상대 회전하는 구조체(11)를 구비한 터빈이다. 블레이드(50)의 선단부와, 이 선단부에 대응하는 구조체(11)의 한쪽에, 단차면(53A)을 구비한 스텝부(52A)가 설치되고, 다른 쪽에, 스텝부(52A)에 대해 연장되어 미소 간극 H를 형성하는 시일 핀(15A)이 설치되어 있다. 블레이드(50)와 구조체(11) 사이에는, 시일 핀(15A)과 이에 대해 구조체(11)의 회전축 방향 상류측에서 대향하는 격벽 사이에 캐비티 C1이 형성되어 있다. 캐비티 C1의, 격벽과 시일 핀(15A) 사이의 거리를 캐비티 폭 W로 하고, 시일 핀(15A)과, 스텝부(52A)의 회전축 방향 상류측에 있어서의 단부 모서리부(55) 사이의 거리를 L로 하면, 이 거리 L 중 적어도 하나는 다음 수학식 1을 만족시킨다.
[수학식 1]

Description

터빈{TURBINE}

본 발명은, 예를 들어 발전 플랜트, 화학 플랜트, 가스 플랜트, 제철소, 선박 등에 사용되는 터빈에 관한 것이다.

본원은, 2009년 10월 9일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2009-235430호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

이미 알고 있는 바와 같이, 증기 터빈의 일종으로서, 케이싱과, 케이싱의 내부에 회전 가능하게 설치된 축체(로터)와, 케이싱의 내주부에 고정되어 배치된 복수의 정익(靜翼)과, 이들 복수의 정익의 하류측(증기의 흐름의 하류측)에 있어서 축체에 방사상으로 설치된 복수의 동익(動翼)을 구비한 것이 있다. 이러한 증기 터빈 중 충동 터빈은, 증기의 압력 에너지를 정익에 의해 속도 에너지로 변환하고, 이 속도 에너지를 동익에 의해 회전 에너지(기계 에너지)로 변환하고 있다. 또한, 반동 터빈은, 동익 내에서도 압력 에너지가 속도 에너지로 변환되고, 증기가 분출되는 반동력에 의해 회전 에너지(기계 에너지)로 변환된다.

이러한 종류의 증기 터빈에서는, 통상, 동익의 선단부와, 동익의 주위를 둘러싸고 증기의 유로를 형성하는 케이싱 사이에 직경 방향의 간극이 형성된다. 또한, 정익의 선단부와 축체 사이에도 직경 방향의 간극이 형성된다. 그러나 동익의 선단부의 간극을 하류측으로 통과하는 누설 증기는, 동익에 대해 회전력을 부여하지 않는다. 또한, 정익 선단부의 간극을 하류측으로 통과하는 누설 증기는, 정익에 의해 압력 에너지가 속도 에너지로 변환되지 않으므로, 하류의 동익에 대해 회전력을 거의 부여하지 않는다. 따라서, 증기 터빈의 성능 향상을 위해서는, 동익의 선단부의 간극을 통과하는 누설 증기의 양을 저감시키는 것이 중요하다.

하기 특허 문헌 1에는, 동익의 선단부에, 축 방향(동익의 회전축과 평행한 방향)에 있어서의 증기(유체)의 흐름의 상류측으로부터 하류측을 향해 높이가 점차 높아지는 스텝부가 설치된 구조가 제안되어 있다. 이 구조에서는, 스텝부에 대해 간극을 갖는 시일 핀이 설치되어 있다.

이러한 구성에 의해, 시일 핀의 간극을 빠져나간 증기의 누설 흐름이 스텝부의 단차면을 형성하는 단부 모서리부에 충돌하여, 증기의 유동 저항을 증대시킨다. 이에 의해, 증기의 누설 유량이 저감되어 있다.

일본 특허 출원 공개 제2006-291967호 공보(도 4)

그러나 증기 터빈의 성능 향상에 대한 요망은 강하고, 따라서 증기의 누설 유량을 더욱 저감시키는 것이 요구되고 있다.

본 발명은 이러한 사정을 고려하여 이루어진 것으로, 유체의 누설 유량을 보다 저감시킨 고성능의 터빈을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명의 터빈은, 블레이드와, 상기 블레이드의 선단측에 간극을 두고 설치되는 동시에, 상기 블레이드에 대해 상대 회전하는 구조체를 구비한다. 이 터빈에 있어서는, 상기 블레이드의 선단부측과, 상기 구조체의 상기 선단부에 대응하는 부분 중 한쪽에는, 단차면을 갖고 타측으로 돌출되는 스텝부가 설치되고, 다른 쪽에는, 상기 스텝부에 대해 연장되어 상기 스텝부와의 사이에 미소 간극 H를 형성하는 시일 핀이 설치되어 있다. 여기서, 상기 블레이드의 선단부와 상기 구조체의 상기 부분과의 사이에는, 상기 시일 핀과 상기 시일 핀에 대해 상기 구조체의 회전축 방향 상류측에서 대향하는 격벽과의 사이에 캐비티가 형성되어 있다. 또한, 상기 캐비티의, 상기 격벽과 상기 시일 핀 사이의 거리를 캐비티 폭 W로 한다. 이때, 상기 시일 핀과, 상기 스텝부의 상기 회전축 방향 상류측에 있어서의 단부 모서리부 사이의 거리를 L로 하면, 이 거리 L 중 적어도 하나는, 이하의 수학식 1을 만족시키고 있다.

[수학식 1]

즉, 상기한 터빈은, 유체의 에너지를 회전 에너지로 변환하는 터빈이다. 상기한 터빈의 제1 형태는, 블레이드와, 상기 블레이드의 선단부와의 사이에 간극을 갖고, 상기 블레이드에 대해 상대적으로 회전하는 구조체와, 상기 블레이드의 선단부에 설치되고, 단차면을 갖고 상기 구조체를 향해 돌출되는 스텝부와, 상기 구조체에 설치되고, 상기 스텝부를 향해 연장되는 시일 핀과, 상기 시일 핀에 대해, 상기 블레이드 또는 상기 구조체의 회전축과 평행한 방향에 있어서의 상기 유체의 흐름의 상류측에서 대향하는 격벽과, 상기 블레이드의 선단부와 상기 구조체 사이이며, 또한 상기 격벽과 상기 시일 핀 사이에 형성된 캐비티를 포함한다.

또한, 상기한 터빈의 제2 형태는, 블레이드와, 상기 블레이드의 선단부와의 사이에 간극을 갖고, 상기 블레이드에 대해 상대적으로 회전하는 구조체와, 상기 구조체에 설치되고, 단차면을 갖고 상기 블레이드의 선단부를 향해 돌출되는 스텝부와, 상기 블레이드의 선단부에 설치되고, 상기 스텝부를 향해 연장되는 시일 핀과, 상기 시일 핀에 대해, 상기 블레이드 또는 상기 구조체의 회전축과 평행한 방향에 있어서의 상기 유체의 흐름의 상류측에서 대향하는 격벽과, 상기 블레이드의 선단부와 상기 구조체 사이이며, 또한 상기 격벽과 상기 시일 핀 사이에 형성된 캐비티를 포함한다.

상기 터빈의 제1 형태 및 제2 형태에 있어서, 상기 시일 핀과 상기 스텝부 사이에 형성하는 미소 간극을 H로 한다. 또한, 상기 캐비티를 형성하는 상기 격벽과 상기 시일 핀 사이의 거리를 캐비티 폭 W로 한다. 또한, 상기 시일 핀과, 상기 스텝부의 상기 상류측에 있어서의 단부 모서리부 사이의 거리를 L로 한다. 이때, 이 거리 L 중 적어도 하나는, 상기한 수학식 1을 만족시킨다.

이 터빈에 따르면, 캐비티 내에 유입된 유체가 스텝부의 단부 모서리부를 형성하는 단차면, 즉 스텝부의 유체의 흐름의 상류측을 향하는 면에 충돌하여, 상류측으로 복귀되도록 하여 제1 방향으로 회전하는 주 소용돌이를 발생시킨다. 또한, 그때, 특히 상기 단차면의 단부 모서리부(에지)에 있어서, 상기 주 소용돌이로부터 일부의 흐름이 박리된다. 이에 의해, 상기 제1 방향과 반대 방향으로 회전하는 박리 소용돌이를 발생시킨다. 이 박리 소용돌이는, 시일 핀 선단과 스텝부 사이의 미소 간극 H를 빠져나가는 누설 흐름을 저감시키는, 축류 효과를 발휘한다. 단, 이 박리 소용돌이에 의한 축류 효과는, 특히 상기 단부 모서리부의 위치(시일 핀으로부터의 거리 L)와 상기 미소 간극 H의 크기와의 관계, 나아가서는 캐비티 폭 W와의 관계에 의해 변화된다.

따라서, 후술하는 시뮬레이션 결과에 기초하여, 상기한 수학식 1을 만족시키도록 이들의 관계를 규정하였다. 이에 의해, 박리 소용돌이에 의한 축류 효과를 충분히 높게 하고, 유체의 누설 유량을 보다 저감시키는 것이 가능해진다.

또한, 상기 터빈에 있어서는, 상기 거리 L이, 이하의 수학식 2를 만족시켜도 된다.

[수학식 2]

이에 의해, 후술하는 시뮬레이션 결과로 나타내는 바와 같이, 박리 소용돌이에 의한 축류 효과가 보다 높아져, 유체의 누설 유량이 더욱 저감된다.

또한, 상기 터빈에 있어서, 상기 스텝부는, 상기 회전축 방향 상류측으로부터 하류측을 향해 돌출 높이가 점차 높아지도록 복수 설치되어도 된다. 상기 다른 쪽에는, 상기 스텝부의 각각에 대해 연장되는 상기 시일 핀이 설치되어도 된다. 상기 스텝부에 대응하는 시일 핀은, 상기 회전축 방향 하류측에 인접하는 스텝부에 대응하는 시일 핀에 대해 대향하는 상기 격벽이어도 된다.

즉, 상기한 터빈의 제1 형태에 있어서, 상기 스텝부는, 상기 구조체를 향해 돌출되는 돌출 높이가, 상기 회전축과 평행한 방향에 있어서의 상기 유체의 흐름의 상류측으로부터 하류측을 향해 점차 높아지도록 복수 설치되어도 된다. 또한, 상기 구조체에는, 상기 스텝부의 각각에 대응하여 상기 시일 핀이 설치되어도 된다. 또한, 상기 스텝부에 대응하는 시일 핀은, 상기 하류측에 인접하는 스텝부에 대응하는 시일 핀에 대해 대향하는 상기 격벽이어도 된다.

또한, 상기한 터빈의 제2 형태에 있어서는, 상기 스텝부는, 상기 블레이드의 선단부를 향해 돌출되는 돌출 높이가, 상기 회전축과 평행한 방향에 있어서의 상기 유체의 흐름의 상류측으로부터 하류측을 향해 점차 높아지도록 복수 설치되어도 된다. 또한, 상기 블레이드의 선단부에는, 상기 스텝부의 각각에 대응하여 상기 시일 핀이 설치되어도 된다. 또한, 상기 스텝부에 대응하는 시일 핀은, 상기 하류측에 인접하는 스텝부에 대응하는 시일 핀에 대해 대향하는 상기 격벽이어도 된다.

이와 같이 하면, 상기한 박리 소용돌이에 의한 축류 효과가 스텝부마다 얻어진다. 따라서 블레이드와 구조체 사이의 유체의 누설 유량이 충분히 저감된다.

또한, 이 터빈에 있어서는, 상기 구조체의, 상기 블레이드의 선단부에 대응하는 부분은 상기 회전축을 중심축으로 하는 환 형상의 오목부여도 된다. 또한, 가장 상기 상류측에 위치하는 스텝부에 대응하는 시일 핀에 대해 대향하는 상기 격벽은, 상기 오목부의 상기 상류측의 내벽면에 의해 형성되어 있어도 된다.

이와 같이 하면, 블레이드 또는 구조체의 회전축에 평행한 방향에 있어서 유체의 흐름의 가장 상류측에 위치하는 스텝부에 있어서도, 상기한 박리 소용돌이에 의한 축류 효과가 얻어진다. 따라서 블레이드와 구조체 사이의 유체의 누설 유량이 충분히 저감된다.

본 발명에 따르면, 유체의 누설 유량을 보다 저감시킨, 고성능의 터빈을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 증기 터빈을 도시하는 개략 구성 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하는 도면으로, 도 1에 있어서의 주요부 I를 도시하는 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 증기 터빈의 작용 설명도이다.
도 4는 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 4의 범위〔1〕에서의 플로우 패턴 설명도이다.
도 6은 도 4의 범위〔2〕에서의 플로우 패턴 설명도이다.
도 7은 도 4의 범위〔3〕에서의 플로우 패턴 설명도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 형태를 도시하는 도면으로, 도 1에 있어서의 주요부 I를 도시하는 확대 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시 형태를 도시하는 도면으로, 도 1에 있어서의 주요부 J를 도시하는 확대 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시 형태를 도시하는 도면으로, 도 1에 있어서의 주요부 J를 도시하는 확대 단면도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 상세하게 설명한다.

(제1 실시 형태)

도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 증기 터빈(1)을 도시하는 개략 구성 단면도이다.

증기 터빈(1)은, 주로, 케이싱(10)과, 케이싱(10)에 유입되는 증기(S)의 양과 압력을 조정하는 조정 밸브(20)와, 케이싱(10)의 내측에 회전 가능하게 설치되고, 동력을 도시하지 않은 발전기 등의 기계에 전달하는 축체(로터)(30)와, 케이싱(10)에 보유 지지된 정익(40)과, 축체(30)에 설치된 동익(50)과, 축체(30)를 축 주위로 회전 가능하게 지지하는 베어링부(60)를 포함한다.

케이싱(10)은, 내부 공간이 기밀하게 밀봉되고, 증기(S)의 유로를 형성하고 있다. 이 케이싱(10)의 내벽면에는, 링 형상의 구획판 외륜(11)이 강고하게 고정되어 있다. 축체(30)는 구획판 외륜(11)을 관통하도록 배치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 이 구획판 외륜(11)이 본 발명에 있어서의 「구조체」에 대응하고 있다.

조정 밸브(20)는, 케이싱(10)의 내부에 복수개 장착되어 있다. 각각의 조절 밸브(20)는, 도시하지 않은 보일러로부터 증기(S)가 유입되는 조정 밸브실(21)과, 밸브체(22)와, 밸브 시트(23)를 구비하고 있다. 조절 밸브(20)의 밸브체(22)가 밸브 시트(23)로부터 이격되면, 증기 유로가 개방되어, 증기(S)가 증기실(24)을 통해 케이싱(10)의 내부 공간으로 유입된다.

축체(30)는, 축 본체(31)와, 이 축 본체(31)의 외주로부터 직경 방향으로 연장된 복수의 디스크(32)를 구비하고 있다. 이 축체(30)는, 회전 에너지를, 도시하지 않은 발전기 등의 기계에 전달한다.

이하의 설명에서는, 특별히 언급하지 않는 한, 축체(30) 또는 축 본체(31)의 직경 방향을 단순히「직경 방향」이라 기재한다. 또한, 축체(30) 또는 축 본체(31)의 회전축과 평행한 방향을, 단순히「회전축 방향」또는「축 방향」이라 기재한다.

정익(40)은, 축체(30)의 주위를 둘러싸도록 방사상으로 다수 배치되어 있다. 이와 같이 배치된 복수의 정익(40)에 의해 환 형상 정익군이 구성되어 있다. 정익(40)은, 각각 전술한 구획판 외륜(11)에 보유 지지되어 있다. 이들 정익(40)은, 직경 방향에 있어서의 내측(회전축측)의 부분이 링 형상의 허브 슈라우드(41)에 의해 연결되어 있다. 축체(30)는, 허브 슈라우드(41)를 관통하도록 배치되어 있다. 정익(40)의 선단부는, 축체(30)에 대해 직경 방향으로 간극을 두고 배치되어 있다.

이들 복수의 정익(40)으로 이루어지는 환 형상 정익군은, 회전축 방향으로 간격을 두고 복수(본 실시 형태에 있어서는, 6개) 형성되어 있다. 환 형상 정익군은, 증기(S)의 압력 에너지를 속도 에너지로 변환하여, 증기(S)를 하류측에 인접하는 동익(50)측으로 안내한다.

동익(50)은, 축체(30)가 갖는 디스크(32)의 외주부에 강고하게 장착되어 있다. 동익(50)은, 각 환 형상 정익군의 유체의 흐름의 하류측에 있어서, 직경 방향으로 방사상으로 다수 배치되어 있다. 이와 같이 배치된 복수의 동익(50)에 의해 환 형상 동익군이 구성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 동익(50)이 본 발명에 있어서의「블레이드」에 대응하고 있다.

이들 환 형상 정익군과 환 형상 동익군은, 1세트로 1개의 단을 구성하고 있다. 즉, 증기 터빈(1)은, 다단(본 실시 형태에서는, 6단)으로 구성되어 있다. 이 중, 최종 단에 있어서의 동익(50)의 선단부에, 환 형상 동익군의 주위 방향으로 연장된 팁 슈라우드(51)가 설치되어 있다.

도 2는 도 1에 있어서의 주요부 I를 도시하는 확대 단면도이다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 동익(블레이드)(50)의 선단부인 팁 슈라우드(51)는, 직경 방향에 있어서 구획판 외륜(구조체)(11)과의 사이에 간극을 두고 대향하여 배치되어 있다. 팁 슈라우드(51)에는, 스텝부[52(52A 내지 52C)]가 형성되어 있다. 스텝부[52(52A 내지 52C)]는, 단차면[53(53A 내지 53C)]을 갖고 구획판 외륜(11)을 향해 돌출되어 있다.

본 실시 형태에서는, 팁 슈라우드(51)는 3개의 스텝부[52(52A 내지 52C)]를 갖고 있다. 이들 3개의 스텝부(52A 내지 52C)는, 구획판 외륜(11)을 향해 돌출되는 직경 방향의 돌출 높이가, 회전축 방향(이하, 축 방향이라 기재함)에 있어서의 증기(유체)(S)의 상류측으로부터 하류측을 향해 점차 높아지도록 설치되어 있다. 즉, 스텝부(52A 내지 52C)는, 단차를 형성하는 단차면[53(53A 내지 53C)]이, 축 방향에 있어서의 증기(S)의 상류측을 향한 전방 방향으로 형성되어 있다.

이하의 설명에 있어서는, 특별히 언급하지 않는 한, 와류를 고려하지 않는 축 방향에 있어서의 증기(S)의 흐름의 상류측을, 단순히「상류측」이라 기재한다. 또한, 와류를 고려하지 않는 축 방향에 있어서의 증기(S)의 흐름의 하류측을, 단순히「하류측」이라 기재한다.

구획판 외륜(11)에는, 팁 슈라우드(51)에 대응하는 부분에 환 형상 홈(환 형상의 오목부)(11a)이 형성되어 있다. 이 환 형상 홈(11a)의 내측에, 팁 슈라우드(51)가 수용되어 있다.

본 실시 형태에서는, 환 형상 홈(11a)의 홈 저면(11b)에 있어서의 구획판 외륜(11)의 내경은 축 방향에 있어서 실질적으로 동일한 직경이다. 또한, 이 홈 저면(11b)에는, 팁 슈라우드(51)를 향해 직경 방향의 내측으로 연장되는 3개의 시일 핀[15(15A 내지 15C)]이 설치되어 있다.

각각의 시일 핀[15(15A 내지 15C)]은, 각각의 스텝부[52(52A 내지 52C)]에 1대1 대응으로 설치되어 있다. 시일 핀(15)은 각각 홈 저부(11b)로부터 구획판 외륜(11)을 향해 직경 방향으로 연장되도록 설치되어 있다. 각각의 시일 핀과 각각의 스텝부(52) 사이에는, 직경 방향으로 미소 간극 H가 형성되어 있다. 각각의 미소 간극 H(H1 내지 H3)의 치수는, 케이싱(10) 및 동익(50)의 열에 의한 연신량(열연신량) 및 동익(50)의 원심력에 의한 연신량(원심 연신량) 등을 고려한 후, 케이싱(10) 및 동익(50)이 접촉하는 일이 없는 안전한 범위 내에서, 최소의 값으로 설정되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, H1 내지 H3은 모두 동일한 치수이다. 단, 필요에 따라서, 이들의 치수를 적절하게 바꾸어도 된다.

이상의 구성에 의해, 팁 슈라우드(51)와 구획판 외륜(11) 사이에는, 환 형상 홈(11a)의 내측에 있어서 캐비티 C(C1 내지 C3)가 형성되어 있다. 또한, 1개의 스텝부[52(52A 내지 52C)]에 대해 1개의 캐비티 C(C1 내지 C3)가 형성되어 있다.

캐비티 C(C1 내지 C3)는, 각 스텝부(52)에 대응하는 시일 핀(15)과, 이 시일 핀(15)에 대해 상류측에서 대향하는 격벽 사이에 형성되어 있다.

제1단째의 스텝(52A)은, 가장 상류측에 위치하고 있다. 이 스텝(52A)에 대응하는 제1 캐비티 C1에 있어서는, 환 형상 홈(11a)의 상류측의 내벽면(54)이 격벽을 형성하고 있다.

따라서, 제1 캐비티 C1은, 팁 슈라우드(51)와 구획판 외륜(11) 사이이며, 또한 내벽면(격벽)(54)과 제1단째의 스텝(52A)에 대응하는 시일 핀(15A) 사이에 형성되어 있다.

또한, 제2단째의 스텝(52B)에 대응하는 제2 캐비티 C2에 있어서는, 상류측에 위치하는 스텝부(52A)에 대응하는 시일 핀(15A)이 격벽을 형성하고 있다.

따라서, 제2 캐비티 C2는, 팁 슈라우드(51)와 구획판 외륜(11) 사이이며, 또한 시일 핀(격벽)(15A)과 시일 핀(15B) 사이에 형성되어 있다.

마찬가지로, 제3 캐비티 C3은, 팁 슈라우드(51)와 구획판 외륜(11) 사이이며, 또한 시일 핀(격벽)(15B)과 시일 핀(15C) 사이에 형성되어 있다.

이러한 캐비티 C(C1 내지 C3)에 있어서, 시일 핀[15(15A 내지 15C)]의 선단부와 격벽 사이의 축 방향에 있어서의 거리를 캐비티 폭 W(W1 내지 W3)로 한다. 즉, 캐비티 폭 W(W1 내지 W3)는, 시일 핀[15(15A 내지(15C)]의 선단부와, 이 시일 핀(15)의 선단부와 동일한 직경상의 격벽 사이의 거리이다.

즉, 제1 캐비티 C1에 있어서는, 내벽면(격벽)(54)과 시일 핀(15A) 사이의 거리를 캐비티 폭 W1로 한다. 제2 캐비티 C2에 있어서는, 시일 핀(격벽)(15A)과 시일 핀(15B) 사이의 거리를 캐비티 폭 W2로 한다. 제3 캐비티 C3에 있어서는, 시일 핀(격벽)(15B)과 시일 핀(15C) 사이의 거리를 캐비티 폭 W3으로 한다. 또한, 본 실시 형태에서는, W1 내지 W3은 모두 동일한 치수로 되어 있다. 단, 필요에 따라서, 이들의 치수를 적절하게 바꾸어도 된다.

또한, 상기 시일 핀(15)과, 그것에 대응하는 각 스텝부(52)의 상류측에 있어서의 단부 모서리부(55) 사이의 축 방향에 있어서의 거리, 즉 시일 핀(15)과 단차면(53)의 에지(55) 사이의 축 방향에 있어서의 거리를 L(L1 내지 L3)로 한다. 이때, 거리 L 중 적어도 하나는, 이하의 수학식 1을 만족시키고 있다.

[수학식 1]

또한, 이 거리 L 중 적어도 하나는, 이하의 수학식 2를 만족시키고 있어도 된다.

[수학식 2]

상기한 수학식 1 또는 수학식 2의 조건을 만족시키면, 터빈의 운전 조건에 상관없이, 본 발명이 의도하는 축류 효과를 얻을 수 있다. 단, 수학식 1 또는 수학식 2의 조건을, 터빈의 정지시에 만족시키고 있어도, 터빈의 운전시에 만족시키고 있지 않으면, 의도하는 효과는 얻어지지 않게 된다. 그로 인해, 수학식 1 또는 수학식 2의 조건은, 터빈의 운전시에 만족시키고 있는 것이 필수이다.

또한, 본 실시 형태에서는, H1 내지 H3은 모두 동일한 치수이다. 그로 인해, H는 H1 내지 H3을 대표하는 수치이다. 마찬가지로, W는 W1 내지 W3을 대표하는 수치이다.

도 1에 도시하는 베어링부(60)는, 저널 베어링 장치(61) 및 스러스트 베어링 장치(62)를 구비하고 있고, 축체(30)를 회전 가능하게 지지하고 있다.

다음에, 상기한 구성을 갖는 증기 터빈(1)의 동작에 대해, 도 1 내지 도 3을 이용하여 설명한다.

우선, 도 1에 도시하는 조정 밸브(20)(도 1 참조)를 개방한 상태로 하면, 도시하지 않은 보일러로부터 증기(S)가 케이싱(10)의 내부 공간으로 유입된다.

케이싱(10)의 내부 공간으로 유입된 증기(S)는, 각 단에 있어서의 환 형상 정익군과 환 형상 동익군을 순차 통과한다. 이때는, 증기(S)의 압력 에너지가 정익(40)에 의해 속도 에너지로 변환된다. 정익(40)을 경유한 증기(S)의 대부분은, 정익(40)과 동일한 단의 동익(50)의 사이로 유입된다. 그러면, 증기(S)의 속도 에너지가 동익(50)에 의해 회전 에너지로 변환되어, 축체(30)를 회전시킨다. 한편, 증기(S)의 일부(예를 들어, 수 ％)는, 정익(40)으로부터 유출된 후, 환 형상 홈(11a) 내로 유입되는, 이른바 누설 증기로 된다.

여기서, 도 3에 도시하는 바와 같이 환 형상 홈(11a) 내로 유입된 증기(S)는, 우선, 제1 캐비티 C1에 유입된다. 그 후, 증기(S)는 스텝부(52A)의 단차면(53A)에 충돌한다. 그리고 증기(S)는, 상류측으로 복귀되도록 하여 주 소용돌이Y1을 발생시킨다. 본 예에서는, 주 소용돌이 Y1은 도 3의 지면(紙面)상에서 반시계 방향(제1 방향)으로 차례로 회전한다.

그때, 특히 스텝부(52A)의 단부 모서리부(에지)(55)에 있어서, 상기 주 소용돌이 Y1로부터 일부의 흐름이 박리된다. 이에 의해, 이 주 소용돌이 Y1과 반대 방향으로 회전하도록 박리 소용돌이 Y2를 발생시킨다. 본 예에서는, 박리 소용돌이 Y2는 도 3의 지면상에서 시계 방향(제2 방향)으로 차례로 회전하도록 발생시킨다. 이 박리 소용돌이 Y2는, 시일 핀(15A)과 스텝부(52A) 사이의 미소 간극 H1을 빠져나가는 증기(S)의 누설 흐름을 저감시키는 축류 효과를 발휘한다.

즉, 도 3에 도시한 바와 같이 박리 소용돌이 Y2가 형성되면, 박리 소용돌이 Y2는, 시일 핀(15A)의 상류측에 있어서, 다운플로우를 발생시킨다. 이 다운플로우는, 속도 벡터가 직경 방향의 내측(회전축측)을 향한다. 이 다운플로우는, 미소 간극 H1의 바로 앞에서 직경 방향의 내측을 향하는 관성력을 보유하고 있다. 그로 인해, 박리 소용돌이 Y2는, 미소 간극 H1을 빠져나가는 증기(S)의 누설 흐름에 대해, 직경 방향의 내측으로 저감시키는 효과(축류 효과)를 발휘하여, 증기(S)의 누설 유량은 작아진다.

예를 들어, 도 3에 도시한 바와 같이 박리 소용돌이 Y2가 진원(眞圓)을 형성한다고 가정한다. 그러면, 이 박리 소용돌이 Y2의 직경이 미소 간극 H1의 2배로 되어 그 외주가 시일 핀(15A)에 접하는 경우, 즉 L1＝2H1(L＝2H)인 경우에, 이 박리 소용돌이 Y2의 다운플로우에 있어서의 직경 방향의 내측을 향하는 속도 성분이 최대인 위치가, 시일 핀(15A)의 선단(내측 단부 모서리)에 일치한다. 따라서 이 다운플로우가 미소 간극 H1의 바로 앞을 보다 양호하게 통과하므로, 증기(S)의 누설 흐름에 대한 축류 효과가 최대로 될 것이라 생각된다.

이와 같이 축류 효과가 충분히 얻어지는 조건이 존재한다는 지식하에서, 본원 발명자는 시뮬레이션을 행하였다. 그 결과, 본원 발명자는, 상기한 수학식 1을 만족시키도록, 시일 핀[15(15A 내지 15C)]과 단차면[53(53A 내지 53C)]의 단부 모서리부(에지)(55) 사이의 축 방향의 거리 L(L1 내지 L3)을 결정하고 있다. 또는, 수학식 2를 만족시키도록, 거리 L(L1 내지 L3)을 결정하고 있다.

(시뮬레이션)

여기서, 도 2, 도 3에 나타낸 거리 L, 시일 핀(15)의 미소 간극 H 및 캐비티 폭 W의 상호간에 있어서의 조건과, 터빈 효율 변화 및 누설량 변화율 관계에 대해, 시뮬레이션을 행하였다. 이하, 그 결과에 대해 설명한다.

도 4는, 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 이 그래프 중의 횡축은 상기 L의 치수(길이)를 나타내고, 종축은 터빈 효율 변화 및 누설량 변화율을 나타내고 있다. 또한, 터빈 효율 변화 및 누설량 변화율에 대해서는, 일반적인 스텝 핀 구조에서의 터빈 효율, 누설 유량에 대한 대소(大小)를 나타내고 있다. 또한, 이 그래프에서는, 횡축, 종축 모두 로그 등의 특수한 눈금이 아닌, 일반적인 등차 눈금을 사용하고 있다.

도 4에 나타낸 결과로부터, L은 이하의 수학식 1을 만족시키는 범위인 것이 바람직하고, 수학식 2를 만족시키는 범위인 것이 보다 바람직한 것을 알 수 있었다.

[수학식 1]

[수학식 2]

즉, 도 4에 나타내는 범위〔1〕(L＜0.7H)에서는, 도 5에 도시하는 바와 같이 단부 모서리부(에지)(55)에서 박리 소용돌이 Y2가 생성되지 않는다. 이로 인해 시일 핀(15)의 상류측에 다운플로우가 형성되지 않는 것을 알 수 있었다. 따라서, 다운플로우에 의한 증기(S)의 누설 흐름에 대한 축류 효과가 거의 얻어지지 않게 된다. 그 결과, 도 4에 나타낸 바와 같이 누설량 변화율이 높아(+측), 증기(S)의 누설 유량이 많아진다. 따라서, 터빈 효율 변화는 낮아(-측), 터빈 효율은 저하한다.

도 4에 나타내는 범위〔2〕(0.7H≤L≤0.3W), 즉 상기 수학식 1의 범위 내에서는, 도 6에 도시하는 바와 같이 단부 모서리부(에지)(55)에서 박리 소용돌이 Y2가 생성된다. 그리고 박리 소용돌이 Y2의 다운플로우가 강한 부분(화살표 D)이, 시일 핀(15)의 선단의 근방에 위치하는 것을 알 수 있었다. 따라서, 다운플로우에 의한 증기(S)의 누설 흐름에 대한 축류 효과가 충분히 얻어진다. 그 결과, 도 4에 나타낸 바와 같이 누설량 변화율이 낮아(-측), 증기(S)의 누설 유량이 적어진다. 따라서, 터빈 효율 변화는 높아(+측), 터빈 효율은 증가한다.

또한, 도 4에 나타내는 범위〔2a〕(0.7H≤L＜1.25H)에서는, 박리 소용돌이 Y2가 단부 모서리부(에지)(55)에서 생성된다. 그러나 이 경우, 생성되는 박리 소용돌이 Y2는 비교적 작은 것을 알 수 있었다. 또한, 다운플로우가 가장 강해지는 부분 D가, 시일 핀(15)의 선단보다 직경 방향에 있어서의 내측(회전축측)의 미소 간극 H에 대응하는 위치에 있는 것을 알 수 있었다. 따라서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 다운플로우에 의한 증기(S)의 누설 흐름에 대한 축류 효과는 충분히 얻어진다. 그러나 후기하는 범위〔2b〕에 비하면 증기(S)의 누설 흐름에 대한 축류 효과는 낮아진다.

도 4에 나타내는 범위〔2b〕(1.25H≤L≤2.75H)에서는, 단부 모서리부(에지)(55)에서 강한 박리 소용돌이 Y2가 생성되고, 이 박리 소용돌이 Y2의 다운플로우가 가장 강해지는 부분 D가, 시일 핀(15)의 선단과 거의 일치하는 것을 알 수 있었다. 따라서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 다운플로우에 의한 증기(S)의 누설 흐름에 대한 축류 효과가 가장 높아진다.

특히, 전술한 바와 같이, L＝2H의 근방에서 증기(S)의 누설 유량이 최소이고, 터빈 효율이 최대로 된다고 할 수 있다.

또한, 도 4에 나타내는 범위〔2c〕(2.75H＜L≤0.3W)에서는, 단부 모서리부(에지)(55)에서 생성되는 박리 소용돌이 Y2가 커지고, 다운플로우가 가장 강해지는 부분 D가, 시일 핀(15)의 선단보다 직경 방향의 외측으로 이격되기 시작하는 것을 알 수 있었다. 따라서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 다운플로우에 의한 증기(S)의 누설 흐름에 대한 축류 효과는 충분히 얻어지지만, 범위〔2b〕에 비하면 축류 효과는 낮아진다.

또한, 도 4에 나타내는 범위〔3〕(0.3W＜L)에서는, 도 7에 도시하는 바와 같이 단부 모서리부(에지)(55)에서 생성된 박리 소용돌이 Y2가 환 형상 홈(11a)의 홈 저면(11b)에 부착되어, 큰 소용돌이가 발생한다. 그로 인해, 박리 소용돌이 Y2의 다운플로우가 강해지는 부분 D가, 시일 핀(15)의 높이의 중간의 부근으로 이동한다. 그로 인해, 시일 핀(15)의 선단 부분에는 강한 다운플로우가 형성되지 않는 것을 알 수 있었다. 따라서, 다운플로우에 의한 증기(S)의 누설 흐름에 대한 축류 효과가 거의 얻어지지 않게 되어, 도 4에 나타낸 바와 같이 누설량 변화율이 높아(+측), 즉, 증기(S)의 누설 유량이 많아진다. 따라서, 터빈 효율 변화는 낮아(-측), 즉, 터빈 효율은 저하된다.

이상의 시뮬레이션 결과로부터, 본 발명에서는 거리 L을, 상기한 수학식 1을 만족시키는 범위로 하고 있다.

즉, 상기한 각 캐비티 C1 내지 C3에서는, 각 스텝부(52A 내지 52C)와 이것에 대응하는 시일 핀(15A 내지 15C) 사이의 상호의 위치 관계(미소 간극 H, 거리 L), 나아가서는 각 격벽과 각 시일 핀(15A 내지 15C) 사이의 상호의 위치 관계(캐비티 폭 W)가 상기한 수학식 1을 만족시키고 있다. 그로 인해, 박리 소용돌이 Y2에 의한 축류 효과가 충분히 높아져, 증기(S)의 누설 유량이 종래에 비해 각별히 저감된다. 따라서, 이러한 시일 구조를 구비한 증기 터빈(1)은, 증기(S)의 누설 유량이 보다 저감되어, 고성능화된다.

또한, 미소 간극 H, 거리 L 및 캐비티 폭 W가 수학식 2의 관계를 만족시키고 있으면, 박리 소용돌이 Y2에 의한 축류 효과가 보다 높아져, 증기(S)의 누설 유량이 더욱 저감된다. 그로 인해, 증기 터빈(1)은, 보다 고성능화된다.

또한, 이 증기 터빈(1)에서는, 스텝부를 3단 형성하여, 캐비티 C를 3개 형성하고 있다. 이에 의해, 각 캐비티 C에 있어서, 전술한 축류 효과에 의해 증기(S)의 누설 유량을 저감시킬 수 있다. 그로 인해, 전체적으로 보다 충분히 증기(S)의 누설 유량을 저감시킬 수 있다.

(제2 실시 형태)

다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 증기 터빈을 설명한다.

도 8은 제2 실시 형태를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 8은 도 1에 있어서의 주요부 I를 나타내는 확대 단면도인 도 2에 대응하는 도면이다.

도 8에 도시한 제2 실시 형태는, 도 2에 도시한 제1 실시 형태와 다음의 점에서 다르다. 즉, 제1 실시 형태에서는 동익(블레이드)(50)의 선단부로 되는 팁 슈라우드(51)에 스텝부[52(52A 내지 52C)]를 형성하고, 구획판 외륜(구조체)(11)에 시일 핀[15(15A 내지 15C)]을 설치하였다. 이에 대해, 제2 실시 형태에서는, 구획판 외륜(구조체)(11)에 스텝부(52)를 형성하고, 팁 슈라우드(51)에 시일 핀(15)을 설치하고 있다.

즉, 이 제2 실시 형태에서는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 구획판 외륜(구조체)(11)에 형성된 환 형상 홈(11a)의 홈 저면(11b)에, 2개의 스텝부(52)를 형성하고 있다. 즉, 2개의 스텝부(52)로서, 단차면(53D)을 갖는 스텝부(52D)와, 단차면(53E)을 갖는 스텝부(52E)를 형성하고 있다. 한편, 동익(블레이드)(50)의 선단부인 팁 슈라우드(51)에는, 3개의 시일 핀[15(15D 내지 15F)]이 설치되어 있다. 3개의 시일 핀[15(15D 내지 15F)]은, 구획판 외륜(11)에 형성된 환 형상 홈(11a)의 홈 저면(11b)을 향해 직경 방향의 외측으로 연장되도록 설치되어 있다.

이들 시일 핀[15(15D 내지 15F)] 중, 상류측의 시일 핀(15D)은, 스텝부(52)의 상류측에 위치하는 홈 저면(11b)에 대응하여 연장되어 있다. 또한, 하류측의 시일 핀(15E, 15F)은, 각각 스텝부(52D, 52E)에 대응하여 직경 방향으로 연장되어 있다. 또한, 이들 시일 핀(15D 내지 15F)도, 대응하는 홈 저면(11b) 혹은 스텝부(52) 사이에 미소 간극 H를 형성하고 있다. 특히 시일 핀(15E, 15F)은, 대응하는 스텝부(52D, 52E)와의 사이에, 본 발명에 관한 미소 간극 H(H4, H5)를 직경 방향으로 형성하고 있다.

이 미소 간극 H(H4, H5)의 각 치수는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 케이싱(10)이나 동익(50)의 열에 의한 연신량, 동익(50)의 원심력에 의한 연신량 등을 고려한 후, 케이싱(10) 및 동익(50)이 접촉하는 일이 없는 안전한 범위 내에서, 최소의 값으로 설정되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서도 H4와 H5는 동일한 치수이다. 단, 필요에 따라서, 이들 치수를 적절하게 바꾸어도 된다.

이러한 구성하에서, 팁 슈라우드(51)와 구획판 외륜(11) 사이에는, 캐비티 C(C4, C5)가 형성되어 있다. 캐비티 C(C4, C5)는, 환 형상 홈(11a)의 내측에 있어서, 스텝부(52)마다, 각 스텝부(52)에 대응하여 형성되어 있다.

캐비티 C(C4, C5)는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 각 스텝부(52)에 대응한 시일 핀[15(15E, 15F)]과, 이들 시일 핀(15)에 대해 상류측에서 대향하는 격벽 사이에 형성되어 있다.

가장 상류측에 위치하는 캐비티 C4는, 가장 상류측에 위치하는 제1단째의 스텝(52D)에 대응하고 있다. 제1 캐비티 C4에서는, 상류측에 위치하는 시일 핀(15D)에 의해 격벽이 형성되어 있다. 따라서, 팁 슈라우드(51)와 구획판 외륜(11) 사이이며, 또한 시일 핀(격벽)(15D)과 시일 핀(15E) 사이에, 제1 캐비티 C4가 형성되어 있다.

마찬가지로, 팁 슈라우드(51)와 구획판 외륜(11) 사이이며, 또한 시일 핀(격벽)(15E)과 시일 핀(15F) 사이에, 제2 캐비티 C5가 형성되어 있다.

이러한 캐비티 C(C4, C5)에 있어서, 격벽인 시일 핀(15)과 스텝부(52)에 대응하는 시일 핀(15) 사이의 축 방향의 거리를 캐비티 폭 W(W4, W5)로 한다. 그리고 상기 시일 핀(15)과, 그것에 대응하는 각 스텝부(52)의 상류측에 있어서의 단부 모서리부(55) 사이의 거리, 즉 시일 핀(15)과 단차면(53)의 에지(55) 사이의 축 방향의 거리를 L(L4, L5)로 한다. 그러면, 이 거리 L 중 적어도 하나는, 상기한 수학식 1을 만족시키고 있다. 또한, 이 거리 L 중 적어도 하나는, 상기한 수학식 2를 만족시키고 있는 것이, 보다 바람직하다.

즉, 각 캐비티 C4, C5에서는, 각 스텝부(52D, 52E)와 이것에 대응하는 시일 핀(15E, 15F) 사이의 상호의 위치 관계인 미소 간극 H, 거리 L 및 격벽과 시일 핀(15E, 15F) 사이의 상호의 위치 관계인 캐비티 폭 W가 상기한 수학식 1을 만족시킨다. 그로 인해, 박리 소용돌이 Y2에 의한 증기(S)의 누설 흐름에 대한 축류 효과가 충분히 높아져, 증기(S)의 누설 유량이 종래에 비해 각별히 저감된다. 따라서, 이러한 시일 구조를 구비한 증기 터빈은, 증기(S)의 누설 유량이 보다 저감되어, 고성능화된다.

또한, 수학식 2를 만족시키는 범위이면, 박리 소용돌이 Y2에 의한 축류 효과가 보다 높아져, 증기(S)의 누설 유량이 더욱 저감된다. 그로 인해, 증기 터빈은, 보다 고성능화된다.

또한, 이 증기 터빈에서는, 스텝부를 2단 형성하여 캐비티 C를 2개 형성하고 있다. 그로 인해, 각 캐비티 C에서 전술한 축류 효과에 의해 증기(S)의 누설 유량을 저감시킬 수 있어, 전체적으로 보다 충분한 증기(S)의 누설 유량의 저감을 달성할 수 있다.

(제3 실시 형태)

다음에, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 증기 터빈을 설명한다.

도 9는, 제3 실시 형태를 설명하기 위한 도면이며, 도 1에 있어서의 주요부 J를 도시하는 확대 단면도이다. 또한, 도 9는 도 2에 대응하는 도면이다.

도 9에 도시한 제3 실시 형태가 도 2에 도시한 제1 실시 형태와 다음의 점에서 다르다. 즉, 제1 실시 형태에서는 본 발명에 관한 「블레이드」를 동익(50)으로 하고, 그 선단부로 되는 팁 슈라우드(51)에 스텝부[52(52A 내지 52C)]를 형성하였다. 또한, 제1 실시 형태에서는, 본 발명에 관한 「구조체」를 구획판 외륜(11)으로 하고, 여기에 시일 핀[15(15A 내지 15C)]을 설치하였다. 이에 대해, 제3 실시 형태에서는, 본 발명에 관한 「블레이드」를 정익(40)으로 하고, 그 선단부에 스텝부(52)를 형성한다. 또한, 제3 실시 형태에서는, 본 발명에 관한 「구조체」를 축체(로터)(30)로 하여, 여기에 시일 핀(15)을 설치한다.

즉, 이 제3 실시 형태에서는, 도 9에 도시하는 바와 같이 정익(40)의 선단부에, 주위 방향으로 연장되는 허브 슈라우드(41)가 설치되어 있다. 이 허브 슈라우드(41)에는, 제1 실시 형태의 팁 슈라우드(51)와 마찬가지로, 3개의 스텝부[52(52F 내지 52H)]가 형성되어 있다. 이들 3개의 스텝부(52F 내지 52H)는, 상류측으로부터 하류측을 향해, 정익(40)으로부터의 직경 방향의 돌출 높이가 점차 높아지도록 설치되어 있다. 즉, 스텝부(52F 내지 52H)는, 단차를 형성하는 단차면[53(53F 내지 53H)]이, 상류측을 향한 전방 방향으로 형성되어 있다.

축체(30)에는, 허브 슈라우드(41)에 대응하는 부분인 디스크(32, 32)(도 1 참조) 사이에, 환 형상 홈(환 형상의 오목부)(33)이 형성되어 있다. 이 환 형상 홈(33)의 내측에, 허브 슈라우드(41)가 수용되어 있다. 본 실시 형태에서는, 환 형상 홈(33)의 홈 저면(33a)에 있어서의 축체(30)의 외경은, 축 방향에 있어서 대략 동일한 직경으로 형성되어 있다. 또한, 이 홈 저면(33a)에는, 허브 슈라우드(41)를 향해 직경 방향의 외측으로 연장되는 3개의 시일 핀[15(15G 내지 15I)]이 설치되어 있다.

이들 시일 핀[15(15G 내지 15I)]은, 스텝부[52(52F 내지 52H)]에 1대1 대응으로, 각각 홈 저부(33a)로부터 허브 슈라우드(41)를 향해 직경 방향으로 연장되도록 설치되어 있다. 각각의 시일 핀[15(15G 내지 15I)]과, 각각의 스텝부(52) 사이에는, 직경 방향으로 미소 간극 H가 형성되어 있다. 이 미소 간극 H(H6 내지 H8)의 각 치수는, 축체(30)나 정익(40)의 열에 의한 연신량, 축체(30)의 원심력에 의한 연신량 등을 고려한 후, 축체(30) 및 정익(40)이 접촉하는 일이 없는 안전한 범위 내에서, 최소의 값으로 설정되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서도 H6 내지 H8은 모두 동일한 치수이다. 단, 필요에 따라서, 이들 치수를 적절하게 바꾸어도 된다.

이러한 구성하에서, 허브 슈라우드(41)와 축체(30) 사이에는, 캐비티 C(C6 내지 C8)가 형성되어 있다. 캐비티 C(C6 내지 C8)는, 환 형상 홈(33)의 내측에, 스텝부(52)마다, 각 스텝부(52)에 대응하여 형성되어 있다.

캐비티 C(C6 내지 C8)는, 각 스텝부(52)에 대응한 시일 핀(15)과, 이 시일 핀(15)에 대해 상류측에서 대향하는 격벽 사이에 형성되어 있다.

제1 캐비티 C6은, 가장 상류측에 위치하는 제1단째의 스텝(52F)에 대응하고 있다. 제1 캐비티 C6에서는, 환 형상 홈(33)의 상류측의 내벽면(34)에 의해 격벽이 형성되어 있다. 따라서, 허브 슈라우드(41)측과 축체(30) 사이이며, 또한 내벽면(격벽)(34)과 제1단째의 스텝(52F)에 대응하는 시일 핀(15G) 사이에, 제1 캐비티 C6이 형성되어 있다.

또한, 제2 캐비티 C7은, 제2단째의 스텝(52G)에 대응하고 있다. 제2 캐비티 C7에서는, 축 방향 상류측에 위치하는 스텝부(52F)에 대응하는 시일 핀(15G)에 의해 격벽이 형성되어 있다. 따라서, 허브 슈라우드(41)와 축체(30) 사이이며, 또한 시일 핀(격벽)(15G)과 시일 핀(15H) 사이에, 제2 캐비티 C7이 형성되어 있다. 마찬가지로, 허브 슈라우드(41)와 축체(30) 사이이며, 또한 시일 핀(격벽)(15H)과 시일 핀(15I) 사이에, 제3 캐비티 C8이 형성되어 있다.

이러한 캐비티 C(C6 내지 C8)에 있어서, 격벽과 시일 핀(15) 사이의 거리를 캐비티 폭 W로 한다. 그리고 각 시일 핀(15)과, 각 스텝부(52)의 상류측에 있어서의 단부 모서리부 사이의 축 방향의 거리, 즉 시일 핀(15)과 단차면(53)의 에지(55) 사이의 축 방향에 있어서의 거리를 L(L6 내지 L8)로 한다. 그러면, 이 거리 L 중 적어도 하나는, 상기한 수학식 1을 만족시키고 있다. 또한, 이 거리 L 중 적어도 하나는, 상기한 수학식 2를 만족시키고 있는 것이, 보다 바람직하다.

즉, 각 스텝부(52F 내지 52H)와 이것에 대응하는 시일 핀(15G 내지 15I) 사이의 상호의 위치 관계인 미소 간극 H, 거리 L 및 격벽과 시일 핀(15) 사이의 상호의 위치 관계인 캐비티 폭 W가 상기한 수학식 1을 만족시키고 있다. 그로 인해, 박리 소용돌이 Y2에 의한 증기(S)의 누설 흐름에 대한 축류 효과가 충분히 높아져, 증기(S)의 누설 유량이 종래에 비해 각별히 저감된다. 따라서, 이러한 시일 구조를 구비한 증기 터빈은, 증기(S)의 누설 유량이 보다 저감되어, 고성능화된다.

또한, 수학식 2를 만족시키는 범위이면, 박리 소용돌이 Y2에 의한 증기(S)의 누설 흐름에 대한 축류 효과가 보다 높아져, 증기(S)의 누설 유량이 더욱 저감된다. 그로 인해, 증기 터빈은, 보다 고성능화된다.

또한, 이 증기 터빈에서는, 스텝부를 3단 형성하여 캐비티 C를 3개 형성하고 있다. 그로 인해, 각 캐비티 C에서 전술한 축류 효과에 의해 증기(S)의 누설 유량을 저감시킬 수 있어, 전체적으로 보다 충분한 증기(S)의 누설 유량의 저감을 달성할 수 있다.

(제4 실시 형태)

다음에, 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 증기 터빈을 설명한다.

도 10은, 제4 실시 형태를 설명하기 위한 도면이며, 도 1에 있어서의 주요부 J를 도시하는 확대 단면도이다. 또한, 도 10은 도 2에 대응하는 도면이다.

도 10에 도시한 제4 실시 형태가 도 9에 도시한 제3 실시 형태와 다른 것은 다음의 점이다. 즉, 제3 실시 형태에서는 정익(블레이드)(40)의 선단부로 되는 허브 슈라우드(41)에 스텝부[52(52I, 52J)]를 형성하고, 축체(구조체)(30)에 시일 핀[15(15J 내지 15L)]을 설치하였다. 이에 대해, 제4 실시 형태에서는, 축체(구조체)(30)에 스텝부(52)를 형성하고, 허브 슈라우드(41)에 시일 핀(15)을 설치한다.

즉, 이 제4 실시 형태에서는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 축체(구조체)(30)에 형성된 환 형상 홈(33)의 홈 저면(33a)에, 2개의 스텝부(52)를 형성하고 있다. 보다 구체적으로는, 이들 2개의 스텝부(52)는, 단차면(53I)을 갖는 스텝부(52I)와, 단차면(53J)을 갖는 스텝부(52J)이다. 한편, 정익(블레이드)(40)의 선단부인 허브 슈라우드(41)에는, 축체(30)의 홈 저면(33a)을 향해 직경 방향의 내측으로 연장되는 3개의 시일 핀[15(15J 내지 15L)]이 설치되어 있다.

이들 시일 핀[15(15J 내지 15L)] 중, 상류측의 시일 핀(15J)은, 스텝부(52)의 상류측에 위치하는 홈 저면(33a)에 대응하여 직경 방향으로 연장되어 있다. 하류측의 시일 핀(15K, 15L)은, 각각 스텝부(52I, 52J)에 대응하여 직경 방향으로 연장되어 있다. 또한, 이들 시일 핀(15J 내지 15L)도, 대응하는 홈 저면(33a) 혹은 스텝부(52)와의 사이에 미소 간극 H를 형성하고 있다. 특히 시일 핀(15K, 15L)은, 대응하는 스텝부(52I, 52J)와의 사이에, 본 발명에 관한 미소 간극 H(H9, H10)를 직경 방향으로 형성하고 있다.

이 미소 간극 H(H9, H10)의 각 치수는, 제3 실시 형태와 마찬가지로, 축체(30)나 정익(40)의 열에 의한 연신량, 축체(30)의 원심력에 의한 연신량 등을 고려한 후, 축체(30) 및 정익(40)이 접촉하는 일이 없는 안전한 범위 내에서, 최소의 값으로 설정되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서도 H9와 H10은 동일한 치수로 되어 있다. 단, 필요에 따라서, 이들 치수를 적절하게 바꾸어도 된다.

이러한 구성하에서, 허브 슈라우드(41)와 축체(30) 사이에는, 캐비티 C(C9, C10)가 형성되어 있다. 캐비티 C(C9, C10)는, 환 형상 홈(33)의 내측에 있어서, 스텝부(52)마다, 각 스텝부에 대응하여 형성되어 있다.

캐비티 C(C9, C10)는, 제3 실시 형태와 마찬가지로, 각 스텝부(52)에 대응한 시일 핀[15(15K, 15L)]과, 이들 시일 핀(15)에 대해 상류측에서 대향하는 격벽과의 사이에 형성되어 있다.

제1 캐비티 C9는, 가장 상류측에 위치하는 제1단째의 스텝(52I)에 대응하고 있다. 제1 캐비티 C9에서는, 상류측에 위치하는 시일 핀(15J)에 의해 격벽이 형성되어 있다. 따라서, 허브 슈라우드(41)와 축체(30) 사이이며, 또한 시일 핀(격벽)(15J)과 시일 핀(15K) 사이에, 제1 캐비티 C9가 형성되어 있다.

마찬가지로, 허브 슈라우드(41)와 축체(30) 사이이며, 또한 시일 핀(격벽)(15K)과 시일 핀(15L) 사이에, 제2 캐비티 C10이 형성되어 있다.

이러한 캐비티 C(C9, C10)에 있어서, 격벽인 시일 핀(15)과, 스텝부(52)에 대응하는 시일 핀(15) 사이의 거리를 캐비티 폭 W로 한다. 그리고 시일 핀(15)과, 그것에 대응하는 각 스텝부(52)의 상류측에 있어서의 단부 모서리부(55) 사이의 축 방향의 거리, 즉 시일 핀(15)과 단차면(53)의 에지(55) 사이의 축 방향의 거리를 L(L9, L10)로 한다. 그러면, 이 거리 L 중 적어도 하나는, 상기한 수학식 1을 만족시키고 있다. 또한, 이 거리 L 중 적어도 하나는, 상기한 수학식 2를 만족시키고 있는 것이, 보다 바람직하다.

즉, 각 스텝부(52I, 52J)와 이것에 대응하는 시일 핀(15K, 15L) 사이의 상호의 위치 관계인 미소 간극 H, 거리 L 및 격벽과 시일 핀(15)의 상호의 위치 관계인 캐비티 폭 W가 상기한 수학식 1을 만족시키고 있다. 그로 인해, 박리 소용돌이 Y2에 의한 증기(S)의 누설 흐름에 대한 축류 효과가 충분히 높아져, 증기(S)의 누설 유량이 종래에 비해 각별히 저감된다. 따라서, 이러한 시일 구조를 구비한 증기 터빈은, 증기(S)의 누설 유량이 보다 저감되어, 고성능화된다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시 형태에 한정되는 일은 없다. 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 구성의 부가, 생략, 치환 및 그 밖의 변경이 가능하다. 본 발명은 전술한 설명에 의해 한정되는 일은 없고, 첨부한 클레임의 범위에 의해서만 한정된다.

전술한 실시 형태에 있어서 나타낸 동작 수순, 혹은 각 구성 부재의 여러 형상이나 조합 등은 일례이며, 본 발명의 주지로부터 일탈하지 않는 범위에 있어서, 설계 요구 등에 기초하여 다양한 변경이 가능하다.

예를 들어, 상기한 실시 형태에서는, 시일 핀(15)을 설치하는 부재에 대해서는 스텝 형상으로 형성하는 일 없이, 평면 형상으로 형성하였다. 그러나 시일 핀(15)을 설치하는 부재에 대해서도, 대향하는 스텝부(52)의 형상에 맞추어 스텝 형상으로 형성해도 되고, 경사면이나 곡면을 형성해도 된다.

또한, 상기한 제1 실시 형태, 제2 실시 형태에서는, 케이싱(10)에 설치된 구획판 외륜(11)을 구조체로 하였다. 그러나 이러한 구획판 외륜(11)을 설치하지 않고, 케이싱(10) 자체를 본 발명의 구조체로 해도 된다. 즉, 이 구조체는, 동익(50)의 주위를 둘러싸고, 유체가 동익 사이를 통과하는 유로를 형성하는 부재이면 된다.

또한, 상기한 실시 형태에서는, 스텝부(52)를 복수 설치하고, 이것에 의해 캐비티 C도 복수 형성하였다. 그러나 이들 스텝부(52)나 이것에 대응하는 캐비티 C의 수에 대해서는 임의이고, 1개, 3개, 혹은 4개 이상이어도 된다.

또한, 상기 실시 형태와 같이, 시일 핀(15)과 스텝부(52)는 반드시 1대1 대응시킬 필요는 없다. 또한, 반드시 시일 핀(15)에 비해 스텝부(52)를 1개만 적게 할 필요도 없다. 이들 수에 대해서는 임의로 설계할 수 있다.

또한, 상기한 실시 형태에서는, 최종 단의 동익(50)이나 정익(40)에 본 발명을 적용하였지만, 다른 단의 동익(50)이나 정익(40)에 본 발명을 적용해도 된다.

또한, 상기한 실시 형태에서는, 본 발명을 복수식(復水式)의 증기 터빈에 적용하였다. 그러나 본 발명은 다른 형식의 증기 터빈, 예를 들어 2단 추기(抽氣) 터빈, 추기 터빈, 혼기 터빈 등의 터빈 형식에 적용할 수도 있다.

또한, 상기한 실시 형태에서는, 본 발명을 증기 터빈에 적용하였다. 그러나 본 발명은 가스 터빈에도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은 회전 날개가 있는 모든 회전 기계에 적용할 수 있다.

시일 핀과 스텝부 사이에 형성하는 미소 간극을 H로 한다. 또한, 캐비티를 형성하는 격벽과 시일 핀 사이의 거리를 캐비티 폭 W로 한다. 또한, 시일 핀과 스텝부의 상류측에 있어서의 단부 모서리부 사이의 거리를 L로 한다. 이때, 거리 L 중 적어도 하나는, 이하의 수학식 1을 만족시킨다.

이에 의해, 유체의 누설 유량을 종래보다도 저감시킨 고성능의 터빈을 제공할 수 있다.

1 : 증기 터빈(터빈)
10 : 케이싱
11 : 구획판 외륜(구조체)
11a : 환 형상 홈(환 형상의 오목부)
11b : 홈 저면
15(15A 내지 15L) : 시일 핀
30 : 축체(구조체)
33 : 환 형상 홈(환 형상의 오목부)
33a : 홈 저면
40 : 정익(블레이드)
41 : 허브 슈라우드
50 : 동익(블레이드)
51 : 팁 슈라우드
52(52A 내지 52J) : 스텝부
53(53A 내지 53J) : 단차면
54 : 내벽면
55 : 단부 모서리부(에지)
C(C1 내지 C10) : 캐비티
H(H1 내지 H10) : 미소 간극
W(W1 내지 W10) : 캐비티 폭
L(L1 내지 L10) : 거리
S : 증기
Y1 : 주 소용돌이
Y2 : 박리 소용돌이

Claims

유체가 갖는 에너지를 회전 에너지로 변환하는 터빈이며,
블레이드와,
상기 블레이드의 선단부와의 사이에 간극을 갖고, 상기 블레이드에 대해 상대적으로 회전하는 구조체와, 상기 블레이드의 선단부에 설치되고, 단차면을 갖고 상기 구조체를 향해 돌출되는 스텝부와,
상기 구조체에 설치되고, 상기 스텝부를 향해 연장되는 시일 핀과,
상기 시일 핀에 대해, 상기 블레이드 또는 상기 구조체의 회전축과 평행한 방향에 있어서 상기 유체의 흐름의 상류측에서 대향하는 격벽과,
상기 블레이드의 선단부와 상기 구조체 사이이며, 또한 상기 격벽과 상기 시일 핀 사이에 형성된 캐비티를 갖고,
상기 시일 핀과 상기 스텝부 사이에 형성되는 미소 간극을 H로 하고,
상기 캐비티를 형성하는 상기 격벽과 상기 시일 핀 사이의 거리를 캐비티 폭 W로 하고,
상기 시일 핀과, 상기 스텝부의 상기 상류측에 있어서의 단부 모서리부 사이의 거리를 L로 하면, 이 거리 L 중 적어도 하나는 이하의 수학식 1을 만족시키는, 터빈.
[수학식 1]
제1항에 있어서, 상기 거리 L은, 이하의 수학식 2를 만족시키는, 터빈.
[수학식 2]
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스텝부는, 상기 구조체를 향해 돌출되는 돌출 높이가, 상기 회전축과 평행한 방향에 있어서의 상기 유체의 흐름의 상류측으로부터 하류측을 향해 점차 높아지도록 복수 설치되고,
상기 구조체에는, 상기 스텝부의 각각에 대응하여 상기 시일 핀이 설치되고,
상기 스텝부에 대응하는 시일 핀은, 상기 하류측에 인접하는 스텝부에 대응하는 시일 핀에 대해 대향하는 상기 격벽을 형성하는, 터빈.
유체의 에너지를 회전 에너지로 변환하는 터빈이며,
블레이드와,
상기 블레이드의 선단부와의 사이에 간극을 갖고, 상기 블레이드에 대해 상대적으로 회전하는 구조체와,
상기 구조체에 설치되고, 단차면을 갖고 상기 블레이드의 선단부를 향해 돌출되는 스텝부와,
상기 블레이드의 선단부에 설치되고, 상기 스텝부를 향해 연장되는 시일 핀과,
상기 시일 핀에 대해, 상기 블레이드 또는 상기 구조체의 회전축과 평행한 방향에 있어서 상기 유체의 흐름의 상류측에서 대향하는 격벽과,
상기 블레이드의 선단부와 상기 구조체 사이이며, 또한 상기 격벽과 상기 시일 핀 사이에 형성된 캐비티를 갖고,
상기 시일 핀과 상기 스텝부 사이에 형성되는 미소 간극을 H로 하고,
상기 캐비티를 형성하는 상기 격벽과 상기 시일 핀 사이의 거리를 캐비티 폭 W로 하고,
상기 시일 핀과, 상기 스텝부의 상기 상류측에 있어서의 단부 모서리부와의 사이의 거리를 L로 하면, 이 거리 L 중 적어도 하나는 이하의 수학식 1을 만족시키는, 터빈.
[수학식 1]
제4항에 있어서, 상기 거리 L은, 이하의 수학식 2를 만족시키는, 터빈.
[수학식 2]
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 스텝부는, 상기 블레이드의 선단부를 향해 돌출되는 돌출 높이가, 상기 회전축과 평행한 방향에 있어서의 상기 유체의 흐름의 상류측으로부터 하류측을 향해 점차 높아지도록 복수 설치되고,
상기 블레이드의 선단부에는, 상기 스텝부의 각각에 대응하여 상기 시일 핀이 설치되고,
상기 스텝부에 대응하는 시일 핀은, 상기 하류측에 인접하는 스텝부에 대응하는 시일 핀에 대해 대향하는 상기 격벽을 형성하는, 터빈.
제3항 또는 제6항에 있어서, 상기 구조체의 상기 블레이드의 선단부에 대응하는 부분은 상기 회전축을 중심축으로 하는 환 형상의 오목부이고,
가장 상기 상류측에 위치하는 스텝부에 대응하는 시일 핀에 대해 대향하는 상기 격벽은, 상기 오목부의 상기 상류측의 내벽면에 의해 형성되어 있는, 터빈.