KR100271066B1

KR100271066B1 - 터빈 노즐

Info

Publication number: KR100271066B1
Application number: KR1019970065881A
Authority: KR
Inventors: 이마이껜이찌
Original assignee: 니시무로 타이죠; 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 1996-12-05
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 2000-11-01
Also published as: US6036438A; CN1186900A; CN1222683C; KR19980063783A; JPH10169405A; JP3621216B2

Abstract

본 발명은 날개 길이방향을 따라 노즐 동익간의 거리를 변화시킴으로써, 축방향 거리를 최적으로 유지하는 터빈 노즐을 제공한다.

노즐 날개(11)는 둘레방향으로 만곡시킴과 동시에, 날개 길이방향의 각 높이 위치의 단면을 로터 중심을 지나는 래디얼선(E)에 대해 이동시키고, 축방향의 유체 유출측으로 만곡되도록 구성한다. 노즐 출구 유출각이 날개방향으로 변화함으로써 최적 축방향 거리가 변화하여 최적한 값으로 할 수가 있다.

Description

터빈 노즐

본 발명은 증기 터빈의 노즐 동익(動翼)간에 생기는 날개간 손실을 감소시켜서 터빈 내부효율을 향상시키기에 적합한 터빈 노즐에 관한 것이다.

근년의 증기 터빈은 성능 향상에 바람직한 여러 가지 기술개발의 성과를 도입하여 높은 효율을 달성하는 데 성공하였다. 성능 향상에 공헌한 기술로서 주목되는 것은 내부효율의 향상을 목적으로 한 것으로서, 이것은 어떠한 터빈 사이클, 또는 유체조건을 채택하여도 유효하며, 적응범위가 넓으므로 가장 주목을 받고 있다. 터빈 내부에 생기는 손실 중에서, 2차 흐름손실은 축류(軸流) 터빈의 많은 단락(段落)에 공통해서 발생하는 손실이며, 이에 대한 해결책의 적부에 따라 내부효율이 크게 좌우하게 된다.

그런데 노즐 유로(流路)내에서 발생하는 2차 흐름 와류에 기인하는 2차 흐름손실을저감하기 위해서는 날개형(形), 날개열(列)에 대한 깊은 고려가 불가피하다. 근년에는 3차원적인 흐름의 정확한 파악을 가능케 한 계산기 기술의 진보가 있어 날개형, 날개열에 대해서도 3차원적인 관점에서 깊은 고찰을 부가함이 가능해졌다.

예를 들어 증기 터빈의 회전중심을 지나는 래디얼선(radial line)에 대해 원주방향 유체의 유출측으로 만곡시켜 구성된 노즐 날개가 있다. 도 5는 상기와 같이 만곡시킨 노즐을 채택한 축류 터빈의 단락의 일부를 나타내고 있다. 여기서 노즐 날개는 다이어프램 외륜(2)과 다이어프램 내륜(3) 사이에 삽입 지지되어 있다. 이 노즐 날개(1)에서는 날개간 유로의 속도 벡터를 근원측(根元側)에서는 다이어프램 내륜(3), 선단측(先端側)에서는 다이어프램 외륜(2)의 방향을 향하는 작용이 있어, 다이어프램 내륜(3) 및 다이어프램 외륜(2)의 쌍방에서 경계층이 발달함을 억제할 수가 있다.

한편 날개열 성능에 대해서는 노즐 날개(1)의 후연단(後緣端)과 이것에 인접한 다른 노즐 날개(1)의 배면 사이의 최단 거리(S)와 환상 피치(T)의 비 S/T(도6 참조)를 날개 길이방향으로 변화시켜서 날개 길이방향의 유량분포를 제어하여, 성능 향상을 꾀하는 방법이 알려져 있다. 도 7에 나타낸 바와 같이 노즐 날개(1)의 근원부 및 선단부의 스로트(throat) 폭(S1, S3)을 노즐 날개(1) 중앙부의 스로트 폭(S2)보다 크게 하고, 이 부분에 흐르는 유량을 많게 함(이하 이 노즐 날개를 3차원 설계형 1이라 한다)으로써, 벽면 근방의 2차 흐름손실을 저감시키는 것, 반대로 도 8에 나타낸 바와 같이 날개 길이 중앙부 부근의 벽면의 영향을 받지 않은 성능이 좋은 부분의 스로트 폭(S2)을 크게하고, 이 부분에 다량의 증기를 흐르게 하도록 구성한 것(이하 3차원 설계형 2라 한다)이 알려져 있다. 이와 같은 S/T 분포를 날개 길이방향으로 변화시켜서 3차원적으로 증기의 흐름을 제어함으로써 날개열 성능을 향상시킬 수가 있다.

그런데 증기 터빈의 내부효율을 좌우하는 여러 인자 중의 하나로 노즐 동익간에 생기는 날개간 손실이 있다. 이 날개간 손실은 일반적으로 다음에 설명하는 비정상손실과 혼합손실의 합계로 표시된다. 즉 비정상손실이라 함은 도 9에 나타낸 바와 같은 노즐 후류(後流)의 원주방향의 속도분포에 의해 생기는 웨이크를 동익(도시하지 않음)이 통과할 때 생기는 손실을 말하며, 노즐 출구의 속도성분의 변화에 의해 유체가 동익에 유입하는 유입각도가 주기적으로 변동함으로써 생기는 손실이다. 웨이크의 깊이는 흐름방향에 대한 거리의 증가와 더불어 작아지고, 이에 따라 비정상손실도 감소한다.

또 혼합손실이라 함은 자유공간에 분출한 유체끼리의 간섭에 의해 초래되는 손실을 말하며, 이것은 비정상손실과는 반대로 흐름방향으로 거리가 증가하면 손실이 증대하게 된다. 따라서 도 10에 나타낸 바와 같이 비정상손실(ζ1)과 혼합손실(ζ2)의 합인 날개간 손실(ζ3)은 손실이 감소하는 전자와, 손실이 증가하는 후자가 교차하는 점에 손실이 최소가 되는 최적치를 갖게 된다.

도 11을 참조하여 설명하면, 이 최적치를 나타내는 흐름방향 거리를 Lopt, 노즐 절대유출각도를 α₂로 하였을 때, 날개간에서 최적 축방향 거리(δa)는 하기 식으로 나타낼 수가 있다.

δa = Lopt × sinα₂

그리고 도 11의 부호 4는 동익을 나타낸다.

한편 종래의 3차원 설계의 날개에서는 만곡시킨 노즐 날개(1)(도 5 참조) 및 도 12에 나타낸 바와 같은 날개 길이방향의 S/T 분포의 변화에 의해 노즐 출구의 절대 유출각 분포가 도 13에 나타낸 바와 같이 3차원적으로 변화한다. 이때 최적 축방향거리(δa)는 날개길이 방향으로 변화하는 sinα2에 따라 도14에 나타낸 바와같이 변화한다. 즉 노즐 후연단 형상을 둘레방향으로 만곡시켜도 노즐 동익간 거리가 지금까지와 마찬가지이면, 터빈 내부효율을 충분히 높일 수가 없다.

따라서 본 발명의 목적은 날개 길이방향을 따라 노즐 동익간 거리를 변화시킴으로써, 축방향 거리를 최적으로 유지토록 한 터빈 노즐을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 의한 터빈 노즐을 사용한 증기 터빈의 단락을 나타낸 모식도.

도 2는 본 발명에 의한 터빈 노즐을 나타낸 모식도.

도 3은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 모식도.

도 4는 노즐 후연단의 경사각에 대한 효율 변화를 나타낸 그래프.

도 5는 종래의 둘레방향으로 만곡시킨 노즐을 나타낸 사시도.

도 6은 종래의 노즐 날개의 횡단면도.

도 7은 종래의 3차원 설계에 의한 노즐을 나타낸 사시도.

도 8은 종래의 3차원 설계에 의한 다른 노즐을 나타낸 사시도.

도 9는 노즐 웨이크를 설명하기 위한 도면.

도 10은 노즐의 동익간 손실의 분포를 나타낸 그래프.

도 11은 축방향 거리를 설명하기 위한 도면.

도 12는 3차원 설계형 노즐의 S/T의 분포를 나타낸 도면.

도 13은 3차원 설계형 노즐의 노즐 출구 유출각의 분포를 나타낸 도면.

도 14는 최적 축방향 거리를 설명하기 위한 도면.

상기 목적을 달성하기 위해 제1 발명은 환상의 다이어프램 외륜 및 다이어프램 내륜 사이에 삽입 지지된 복수개의 노즐 날개를 갖춘 터빈 노즐에 있어서, 각 노즐 날개를 1개의 노즐 날개의 후연단과, 이것에 인접한 다른 노즐 날개의 길이방향 중앙부에 있으며, 또 상기 노즐 날개 중앙부에서 터빈축방향의 유체 유출측으로 만곡되도록 구성한 것일 일 특징으로 한다.

여기서, 상기 각 노즐 날개를 노즐 날개의 근원부의 후연단과 선단부의 후연단을 잇는 선을 상기 노즐 날개의 래디얼선에 대해 유체 유출측으로 일정한 각도로 경사지게 구성하는 것이 바람직스럽다.

또한 본 발명은 환상의 다이어프램 외륜 및 다이어프램 내륜 사이에 삽입 지지된 복수개의 노즐 날개를 갖춘 터빈 노즐에 있어서, 상기 각 노즐 날개를 1개의 노즐 날개의 후연단과, 이것에 인접한 다른 노즐 날개의 배면 사이의 최단거리(S)와 환상 피치(T)의 비 S/T의 최대치가 노즐 날개의 길이방향 중앙부에 있으며, 또 상기 노즐 날개 중앙부에서 터빈축방향의 유체 유입측으로 만곡되도록 구성한 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 각 노즐 날개를 노즐 날개의 근원부의 전연단(全緣端)과 선단부의 전연단를 연결하는 선을 상기 노즐 날개의 래디얼선에 대하여 유체 유출측으로 일정 각도로 경사지도록 구성하는 것이 바람직스럽다.

[실시예]

이하 본발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 도 1에서 노즐 날개(11)는 다이어프램 외륜(12)과 다이어프램 내륜(13) 사이에 삽입 지지되어 있다. 이 노즐 날개(11)는 환상열을 이루어 다수 배치되나, 도시한 것은 그 중의 1개이다. 이 노즐 날개(11)에 바로 인접하여 로터 디스크(14)로부터 뻗는 동익(15)이 설치되어, 축류 터빈의 단락을 구성하고 있다. 동익(15)도 노즐 날개(11)와 마찬가지로 환상열을 이루어 배치되며, 도시한 것은 그 중의 1개이다. 동익(15)의 선단에는 동익끼리를 연결하고 있는 슈라우드(shroud)(16)가 설치되어 있다.

또 이 노즐 날개(11)는 그 근원부 후연단을 잇는 선(F)을 노즐 날개(11)의 래디얼선(E)에 대해 유체 유출측으로 각도(θ) 만큼 경사지게 배치되어 있다. 본 실시예에서는 노즐 날개(11)를 경사지게 하는 각도(θ)는 0∼5°의 범위이다.

도 2는 또 다른 노즐 날개(11)를 나타내고 있다. 이 노즐 날개(11)는 회전중심을 지나는 래디얼선에 대해 둘레방향의 유체 유출측으로 만곡시켜서 구성한다. 또한 날개 길이방향의 각 높이 위치의 단면을 로터 중심을 지나는 래디얼선(E)에 대해 이동시켜 축방향의 유체 유출측으로 만곡되도록 구성되어 있다.

이 둘레방향으로 만곡시켜서 구성된 노즐 날개(11)에서는 상술한 바와 같이 노즐 출구 유출각이 종래의 노즐 날개보다 근원측에서는 크고, 중앙부에서는 작고, 선단부에서는 크게 된다. 이 노즐 출구 유출각이 날개 길이방향으로 변화함으로써, 날개간의 비정상손실과 혼합손실로 정해지는 최적 축방향 거리가 날개 길이방향으로 변화하게 된다. 즉 중앙부에서는 최적 축방향 거리가 작아지고, 반대로 근원부 및 선단부에서는 커진다. 본 실시예에서는 로터 중심을 지나는 래디얼선(E)에 대해 단면을 이동시켜 축방향의 유입 유출측으로 만곡시키는 것으로서, 날개 길이방향을 따라 노즐 동익간 거리(La)를 변화시킨다. 이에 따라 축방향 거리를 최적한 값으로 할 수가 있다. 따라서 날개간 손실을 보다 적게 할 수가 있으므로, 내부효율을 더욱 높일 수가 있다.

또 래디얼선(E)과 노즐 날개(11) 근원부의 후연단과 선단부의 후연단을 잇는 선(F) 사이의 각도(θ)를 0∼5°의 범위로 유지함으로써, 예를 들어 노즐 날개(11)의 만곡형상이 다른 구성부품과의 간섭 등의 이유로 인해 최적치를 유지하기가 곤란할 때도, 날개간의 축간 거리를 최적치에 가깝게 할 수가 있다.

이 각도(θ)는 날개 길이에 따라 변화하나, 날개 길이가 가장 긴 것은 5°가 한계이다. 도 4에 각도(θ)를 변화시켰을 때의 효율의 추이를 나타낸다. 비교적 긴 장익(H1), 중간 길이의 중익(H2) 및 중익보다 짧은 단익(H3)의 각각에 효율 1.0을 하회하는 각도가 있으며, 장익(H1)에서는 이 각도가 5°이다. 따라서 각도(θ)는 0∼5°의 범위로 하는 것이 바람직하다.

다음에 본 발명의 다른 실시예를 설명한다. 본 실시예는 벽면 근방의 2차 흐름손실을 저감하는 것을 목적으로 사용되는 날개 길이방향의 유량분포를 제어하는 노즐(3차원 설계형 1)에 적용된다. 또 각 노즐 날개는 노즐 날개의 후연단과 이것에 인접한 노즐 날개의 배면과의 최단 거리(S)와 환상 피치(T)의 비 S/T의 최소치가 날개 중앙부에 있으며, 도 2의 노즐 날개(11)와 마찬가지로 날개 길이방향의 각 높이 위치의 단면을 로터 중심을 지나는 래디얼선(E)에 대해 이동시켜서, 날개 중앙부에서 축방향의 유체 유출측으로 만곡되도록 구성되어 있다.

이 노즐 날개에서는 S/T의 최소치가 날개 중앙부에 있으므로, 상술한 바와 같이 노즐 유출각이 날개 중앙부에서는 작고, 근원부 및 선단부에서는 커진다. 노즐 출구 유출각이 날개 길이방향으로 변화함으로써, 중앙부에서는 최적 축방향 거리가 작아지고, 반대로 근원부 및 선단부가 커지기 때문에, 축방향의 유체 유출측으로 만곡시킴으로써 날개 길이방향을 따라 노즐 동익간 거리를 변화시킨다. 이에 따라 축방향 거리를 최적치로 유지할 수가 있다. 따라서 날개간 손실을 보다 감소시킬 수 있으므로, 내부효율을 향상시킬 수가 있다.

다음에 다른 실시예를 도 3을 참조하여 설명한다. 본 실시예는 날개 길이방향으로 유량분포를 제어하는 노즐(3차원 설계 2)에 적용된다. 노즐 날개(21)는 노즐 날개의 후연단과 이것에 인접한 노즐 날개의 배면과의 최단 거리(S)와 환상 피치(T)의 비 S/T의 최대치가 날개 중앙부에 위치하도록 정한 것으로서, 상기 실시예의 것과 반대로 날개 길이방향의 각 높이 위치의 단면을 로터 중심을 지나는 래디얼선(E)에 대해 이동시켜서, 날개 중앙부에서 축방향의 유체 유입측으로 만곡되도록 구성되어 있다.

본 실시예에서는 S/T의 최대치가 날개 중앙부에 있으므로, 상술한 바와 같이 상기 실시예의 것과 반대로 노즐 유출각은 날개 중앙부에서 커지고, 근원부 및 선단부에서 작아진다. 그리고 노즐 출구 유출각이 날개 길이방향으로 변화함으로써, 중앙부에서는 최적 축방향 거리가 커지고, 반대로 근원부 및 선단부에서는 최적 축방향 거리가 작아지기 때문에, 축방향의 유체 유입측으로 만곡시킴으로써 날개 길이방향을 따라 노즐 동익간 거리가 변화하여, 축방향 거리를 최적치로 유지할 수가 있다. 따라서 날개간 손실을 보다 감소시킬 수 있으므로, 내부효율을 향상시킬 수가 있다.

본 발명에 의하면, 각 노즐 날개를 노즐 날개의 후연단과, 이것에 인접한 노즐 날개의 배면과의 최단 거리(S)와 환상 피치(T)의 S/T의 최소치가 날개 중앙부에 있으며, 또 날개 중앙부에서 축방향의 유체 유출측으로 만곡되도록 하였으므로, 단락에 잇어서의 최적 축방향 거리를 유지할 수가 있어서, 날개간 손실을 감소시켜서 터빈 내부효율을 향상시킬 수가 있다.

또한 본 발명에 의하면, 각 노즐 날개를 노즐 날개의 후연단과, 이것에 인접한 노즐 날개의 배면과의 최단 거리(S)와 환상 피치(T)의 비 S/T의 최대치가 날개 중앙부에 있으며, 또 날개 중앙부에서 축방향의 유입측으로 만곡시키도록 하였으므로, 단락에 있어서의 최적 축방향 거리를 유지할 수가 있어서, 날개간 손실을 감소시켜서 터빈 내부효율을 향상시킬 수가 있다.

Claims

환상의 다이어프램 외륜 및 다이어프램 내륜 사이에 삽입 지지된 복수개의 노즐 날개를 갖춘 터빈 노즐에 있어서, 상기 각 노즐 날개를 1개의 노즐 날개의 후연단과, 이것에 인접한 다른 노즐 날개의 배면 사이의 최단거리(S)와 환상 피치(T)의 비 S/T의 최소치가 노즐 날개의 길이방향 중앙부에 있으며, 또 상기 노즐 날개 중앙부에서 터빈축방향의 유체 유출측으로 만곡되도록 구성한 것을 특징으로 하는 터빈 노즐.
환상의 다이어프램 외륜 및 다이어프램 내륜 사이에 삽입 지지된 복수개의 노즐 날개를 갖춘 터빈 노즐에 있어서, 상기 각 노즐 날개를 1개의 노즐 날개의 후연단과, 이것에 인접한 다른 노즐 날개의 배면 사이의 최단거리(S)와 환상 피치(T)의 비 S/T의 최대치가 노즐 날개의 길이방향 중앙부에 있으며, 또 상기 노즐 날개 중앙부에서 터빈축방향의 유체 유입측으로 만곡되도록 구성한 것을 특징으로 하는 터빈 노즐.
제2항에 있어서, 상기 각 노즐 날개를 노즐 날개의 근원부의 후연단과 선단부의 후연단을 잇는 선을 상기 노즐 날개의 래디얼선에 대해 유체 유출측으로 일정한 각도로 경사지게 구성한 것을 특징으로 하는 터빈 노즐.
제3항에 있어서, 상기 각 노즐 날개를 노즐 날개의 근원부의 전연단(全緣端)과 선단부의 전연단를 연결하는 선을 상기 노즐 날개의 래디얼선에 대하여 유체 유출측으로 일정 각도로 경사지도록 구성한 것을 특징으로 한 터빈 노즐.