KR100362833B1 - 터빈 동익 조합체, 터빈 노즐익 조합체 및 증기 터빈 - Google Patents

터빈 동익 조합체, 터빈 노즐익 조합체 및 증기 터빈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터빈 동익의 쓰로트ㆍ피치비를 운전 전에 미리 오프셋해 두고, 운전시에 발생하는 익 풀림이 발생하여도 적정치로 유지킴으로써 보다 안정되게 터빈 구동 증기가 흐르게 함과 동시에, 공기 역학적 손실이 적은 영역의 익단면의 익 꼬임각을 조절하여 터빈 동익의 쓰로트ㆍ피치비를 팽대하게 함으로써 보다 많은 터빈 구동 증기가 흐르게 하는 증기 터빈을 제공한다.
본 발명에 따른 증기 터빈은 터빈 동익의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 분포를 익근으로부터 익선단으로의 익고 방향을 따른 익단면의 익 꼬임각을 조절하여 최소값 및 최대값이 적어도 하나 이상이 되는 곡선으로 형성함과 동시에, 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 분포를 운전시에 발생하는 익 풀림을 고려하여 오프셋시킨 것이다.

Description

터빈 동익 조합체, 터빈 노즐익 조합체 및 증기 터빈{TURBINE MOVING BLADE ASSEMBLY, TURBINE NOZZLE BLADE ASSEMBLY AND STEAM TURBINE}
본 발명은 증기 터빈에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 증기 터빈의 터빈익의 구성에 관한 것이다.
근래의 터빈에서는 연료를 절약하여 더욱 경제적으로 운전하기 위해 최종 터빈 스테이지와 최종 스테이지의 상류측 터빈 스테이지에서 보다 장익(長翼)을 사용하는 경향이 있다.
예를 들어 도 10에 최종 터빈 스테이지와 최종 스테이지의 상류측 터빈 스테이지에서 장익을 채용한 출력 700,000kW급 증기 터빈을 나타낸다. 이것은 복수의 스테이지(5)가 터빈 케이싱(1)에 수용된 터빈축(2)의 축 방향을 따라 터빈 구동 증기 유동 방향으로 일련 배치된 축류식 터빈이다.
각 스테이지(5)는 1조(組)의 고정 터빈 노즐익(3)과 하류측으로 인접하는 1조의 터빈 동익(4)으로 구성되어 있다.
각 스테이지의 터빈 노즐익(3)은 그 외측 단부가 터빈 케이싱(1)에 고정된 외측 다이어프램(6)으로 지지되고, 그 내측 단부가 터빈축(2)에 인접하는 내측 다이어프램(7)으로 지지되는 터빈축(2) 주위에 원주 방향으로 정렬된다.
내측 다이어프램(7)에 의해 운반된 실(seal; 7a)이 내측 다이어프램(7)을 회전 터빈축(2)에 밀봉한다.
각 스테이지의 터빈 동익(4)은 터빈축(2) 주위에 원주 방향으로 그 스테이지의 터빈 노즐익(3)에 인접하게 그리고 하류측에 배치된다.
각 터빈 동익은 터빈축(2)으로부터 반경 방향으로 뻗고, 터빈축(2)에 매립되는 익매립부(8), 익근(翊根)으로부터 익선단(翊先端)까지의 익유효부(9) 및 익선단 연결부(10)를 갖는다.
익유효부(9)는 터빈 구동 증기가 터빈 동익을 통과할 때 실제로 일(회전 토크 생성)을 하는 익의 부분이다.
터빈 동익(4)에는 익유효부(9)의 중간 부분에 익유효부(9)를 전체적으로 안정화시키는 역할을 하는 중간 접속부(11)가 설치되어 있다.
중간 접속부(11)는 도 11에 나타낸 바와 같이, 하나의 익유효부(9a)와 그 인근의 익유효부(9b)의 각각의 배면(9c, 9d) 및 밸리(valley; 9e, 9f) 상에 보스(11a, 11b)를 갖는다.
연결 슬리브(11c)가 보스(11a, 11b)의 양단에 설치된 러그(도시하지 않음)를 통하여 보스(11a, 11b)를 피벗 가능하게 상호 접속하고 있다. 따라서, 터빈 노즐익(3)으로부터 유출하는 터빈 구동 증기의 분사력의 경시(經時) 변동과 터빈축 진동 등의 요인으로 인해 야기되는 중간부의 진동을 저레벨로 억제하고 있다.
터빈 동익(4)의 선단은 예를 들어 도 12에 나타낸 바와 같이, 익유효부(9)로부터 일체로 절삭한 소위 "스너버(snubber)식" 판상 돌출편(10a, 10b)으로 형성되는 익선단 연결부(10)에 의해 안정화된다. 운전 중, 익선단 진동은 돌출편(10a, 10b)의 상호 접촉 마찰을 이용해 억제된다.
상기 중간 접속부(11)와 익선단 연결부(10)의 구성은 장익의 터빈에서 터빈 구동 증기 분사력의 경시 변동 등의 요인으로 야기되는 진동에 대해 효과적인 대처 수단을 제공한다.
그러나 종래의 터빈 동익(4)의 익유효부(9)의 길이가 1m를 넘는 증기 터빈(도 10 참조)에서는 익길이로 인해 많은 다른 문제가 발생한다. 그 중 하나로 운전 중 원심력으로 인해 익이 뒤틀리는 변형의 결과로서 쓰로트ㆍ피치비(S/T)가 변동하여, 공력(aerodynamic force)의 감소를 초래한다.
종래에는 소위 "단순 3차원 익 설계법"을 채용하여 이 문제에 접근하려는 시도가 있어 왔다. 이 방법에서는 터빈 스테이지 전후로 유로 높이가 크게 변화한다. 그리고, 터빈 스테이지 전후의 압력비가 비교적 클 경우, 유로의 높이 방향으로 속도 삼각형(equivalent velocity diagram)이 증가하는 것에 대응하여 터빈 동익의 단면적의 형상이 변화된다.
그러나 도 13에 나타낸 바와 같이, 증기 터빈의 터빈 동익(4)이 길면, 터빈익에 대한 터빈 구동 증기의 유입각은 익유효부(9)의 익근, 익평균 직경(피치원 직경) 및 익선단에서 크게 다르다.
도 13에서 α는 터빈 동익(4)에 대한 터빈 구동 증기의 유입각을,BV는 터빈 동익(4)으로 흐르는 터빈 구동 증기 유입 속도 벡터를,SV는 도시하지 않은 터빈 노즐익으로부터 유출하는 유출 속도 벡터를, 그리고U는 주위 속도를 각각 나타낸다. 또한, 아래 첨자 R, P, T는 각각 익근, 익평균 지름(피치원 직경) 및 익선단 위치를 나타낸다.
이 경우, 익유효부(9)의 익근, 익평균 직경부 및 익선단의 각 익단면 형상은 각 위치에서의 터빈 구동 증기의 유입각 αR, αP, αT의 변화에 대응해서 수정할 필요가 있지만, 그 전제로서 먼저 각 위치에서의 터빈 구동 증기의 유입 속도 벡터(BV R ,BV P ,BV T )를 구할 필요가 있다.
각 위치에서의 터빈 구동 증기 유입 속도 벡터(BV R ,BV P ,BV T )는 터빈 노즐익의 익근, 익평균 직경 및 익선단의 각 위치에서 유출하는 터빈 구동 증기의 유출 속도(SV R ,SV P ,SV T )와, 각 위치에서의 반경과 회전 각속도(회전 각속도는 반경에 관계없이 일정)에 의해 결정되는 원주 방향 속도 벡터(터빈축의 원주 방향 속도 성분)를 합성한 속도 삼각형으로부터 구할 수 있다.
속도 삼각형으로부터 구한 각 위치에서의 터빈 구동 증기의 유입 속도 벡터(BV R ,BV P ,BV T )에 대해서 유입각은 변동한다. 예를 들어 익근에서의 유입각(αR)은 전형적으로 30~ 50°이고, 익선단에서의 유입각( αT)은 전형적으로 140~170°이니까 그 각도차는 최대 140°이다. 이와 같은 큰 각도차는 익선단의 반경이 익근의 반경의 2배 이상이 되고, 이에 비례하여 익선단의 원주 방향 속도 성분이 익근의 회전 속도의 2배 이상이 되는 것에 기인한다.
터빈 동익이 반경 방향의 유입각의 큰 변동을 보상하도록 수정되지 않으면, 공기 역학적 손실이 현저하게 증가한다. 따라서 종래의 증기 터빈은 익유효부(9)의 여러 위치에서의 터빈 구동 증기의 유입각(αR, αP, αT)에 맞추어서 익단면의 꼬임각(twist angle)을 바꾸는 수정을 하고, 또한 전단부 근처의 익단면 형상을 유입 속도 벡터의 방향으로 수정하고 있었다.
도 14는 터빈 동익렬의 임이 높이에서의 원주 방향 단면을 평면으로 전개한 도면으로, 터빈 동익의 증기 유로의 구성을 나타내고 있다. S은 쓰로트로, 하나의 익의 배면으로부터 다음의 터빈 동익의 밸리 간에 형성되는 익간 증기 유로의 가장 좁은 부분의 폭을 표시한다. T는 피치로, 원주 방향의 터빈 동익 간의 간격이다. 쓰로트ㆍ피치비(S/T)는 증기 터빈의 크기에 의존하지 않는 공기 역학적 설계 파라미터로서, 터빈 동익의 유출각과 대응하고 있다. 바꾸어 말해서 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 크게 하면, 원주 방향을 제로로 정의하는 터빈 동익의 유출각이 커지고, 익유출 속도를 일정하게 했을 때 축류 속도 성분이 커지며, 이 단면의 유량은 증가한다. 반대로 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 작게 하면, 터빈 동익의 유출각은 작아지고, 이 단면의 유량은 감소한다. 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 정의는 터빈 노즐익에서도 마찬가지이다.
터빈 최종 스테이지 등의 장익의 스테이지에서는, 원주 방향 속도가 반경 방향으로 크게 다를 뿐만 아니라, 터빈 노즐익에서 생성된 선회(tangential) 속도 성분으로 인해 터빈 노즐익의 출구 위치에서 발생하는 압력의 반경 방향 구배에 기인하는 내주벽(익근)측과 외주벽(익선단)측 간의 압력차가 커진다. 장익의 스테이지는 이 압력차를 고려한 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 분포로 설계할 필요가 있다.
도 15는 종래 설계에서 통상 채용되는 터빈 동익의 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 분포의 일례이다. 종래의 "단순 삼차원 설계법"에서는 각 익단면의 삼차원적 손실을 고정확도로 추정하기가 어려워서, 터빈 노즐익과 터빈 동익 모두에 대해서 반경 방향으로의 단위 환상 면적당의 유량 분포가 거의 일정해지도록 설계하고 있었다. 터빈 동익에서는 출구는 정압(靜壓) 분포가 거의 일정한 데에 비해서 입구 정압이 높은 외주벽 측은 유속이 증가한다. 따라서 외주벽 측에서 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 작게 하여 축류 속도를 감소시키는 동시에, 반대로 입구 정압이 낮고 터빈 동익의 유출 속도가 낮은 내주벽 측이 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 크게 해서 축류 속도를 증가시켜서 반경 방향의 유량 분포를 거의 일정하게 하는 설계를 채용하고 있었다
이와 같이 설계한 종래의 터빈 동익에서는 익 길이가 작을 때는 문제가 되지 않았지만, 익 길이가 1m가 넘는 장익에서는 입구 정압의 상대적인 강하에 따라 터빈 동익의 익근 단면 전후의 압력차를 충분히 확보하기가 곤란해져 성능이 감소한다. 동시에 이 익근 단면에도 다른 단면과 같은 정도의 유량을 통과시킴으로써 터빈 스테이지 전체의 공력 성능도 저하하는 문제점이 있었다.
종래의 터빈 노즐익의 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 분포를 도 16에 나타낸다. 터빈 노즐익에서는 터빈 동익과 반대로 입구의 전압은 거의 일정인데 비하여, 출구의 정압은 내주측으로부터 외주측으로 증가하는 분포를 갖는다. 종래의 단순 삼차원 설계에서는 반경 방향의 손실 분포의 예측이 곤란하였기 때문에 반경 방향의 유량 분포를 일정하게 하는 것을 전제로 하고 있었다. 따라서 종래에는 도 16에 나타내는 바와 같이 익근으로부터 익선단으로 단조롭게 증가하는 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 분포를 채용하고 있었다.
도 16의 분포의 문제점은 익근에서의 유출각이 작아짐으로써 이 부분의 손실이 증가하고, 또한 벽면 근처의 익선단에서는 벽면과 터빈 노즐익의 코너부에서 2차 난류가 발생하여 손실이 큰 데, 이 영역에서도 다른 영역과 같은 정도의 유량이 흐름으로써 터빈 스테이지 전체의 공력 성능이 저하하는 문제가 있었다.
도 17에 종래의 터빈 노즐익에서의 공기 역학적 손실의 반경 방향 분포를 나타낸다. 익근에서는 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 작게 하여 유출각을 작게 함으로써, 유출 속도가 증가하여 손실이 증가하는 악순환이 되고 있다.
따라서 반경 방향으로 유량분포를 변화시킨 효과와 원심력에 의한 익 변형의 효과를 고려한 완전 삼차원 익 설계법의 채용이 요망되고 있었다. 그러나 종래의 해결책들은 문제점을 완전히 없애지는 못하였다. 그 중의 하나를 도 14 및 도 15를 참조하여 나타낸다. 터빈 동익렬을 익근으로부터 익선단으로 전단부가 시계 방향으로 꼬이는 형상으로 설계된다. 그런데 원심력에 의한 인장 하중이 익유효부(9)에 작용한 상태에서는 도 14에 나타내는 바와 같이 화살표AR의 방향으로 트위스트 리턴(twist return; 풀림(untwist))이 발생한다. 따라서 도 15에 나타내는 바와 같이 터빈 동익(4)의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 익근으로부터 익선단으로 정지에에서의 실선으로 나타내는 분포로 설정하여도, 운전시는 이론적으로 파선으로 나타내는 분포로 변동한다. 특히 터빈 동익의 진동을 억제하는 수단(즉 익유효부(9)의 중간 부분의 중간 접속부(11)와 익선단의 단부 접속부(10))이 이들 접속 부분에서의 풀림을 구속함으로써, 각 접속부(10, 11) 사이에 상당하는 무차원 익고(이하의 발명의 상세한 설명에서 익고라 함은 무차원 익고를 말함) 70%~95%에서의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)(S/T)의 분포가 도 15에 나타내는 바와 같이 외측으로 팽대해서 유로가 넓어진다.
이러한 상황에서는 다른 문제도 발생할 수 있다. 장익의 터빈 동익(4)이 익근에서의 직경이 1.4m이 상이고, 익유효부(9)의 길이가 1m를 넘으면, 터빈 동익으로부터 유출하는 구동 증기의 상대 속도(터빈 동익에 고정된 좌표로 정의되는 속도)는 적어도 익유효부(9)의 익평균 직경(PCD: Pitch Circle Diameter)으로부터 익선단에 걸친 영역에서 음속을 넘어 초음속 유동이 된다.
터빈 구동 증기의 유입각이 익유효부(9)를 따라서 도 13과 같이 주어졌을 때, 상기 익고 70%~95%의 영역에서 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 분포에 상술한 팽대(膨大) 부분이 발생하면, 터빈 구동 증기가 과도하게 팽창하여 초음속 유동이 되어 터빈 동익 전단부 등에 강한 충격파를 발생시킨다.
이와 같이 종래의 증기 터빈은 문제점이 많다.
이들은 반경 방향으로 거의 균일한 유량 분포가 되는 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 분포를 채용하고 있기 때문에, 터빈 동익의 익근의 벽면 근처와 터빈 노즐익의 외주 벽면 근처에서 마찰 손실이 크다. 또한 익 풀림에 의해 익유효부(9)의 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 곡선이 팽대한 부분을 흐르는 초음속 유동의 터빈 구동 증기가 과도하게 팽창하여 충격파가 발생한다. 이로 인해 설계 기준에 맞는 터빈 성능을 발휘할 수 없게 된다.
본 발명의 목적은 터빈 익렬 성능이 향상하도록 설계된 증기 터빈을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 터빈 구동 증기를 안정된 상태로 흐르게 함으로써 터빈 성능을 향상시킨 터빈 동익을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 터빈 구동 증기를 안정된 상태로 흐르게 함으로써터빈 성능을 향상시킨 터빈 노즐익을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 증기 터빈의 실시예를 나타내는 개략 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 증기 터빈에 조립된 터빈 동익의 손실 분포 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 증기 터빈에 조립된 터빈 동익의 익근으로부터 익선단으로의 임의의 위치에서 절단한 익단면을 각각 나타낸 절단 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 증기 터빈에 조립된 터빈 동익의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 종래의 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 분포 및 운전시의 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 분포와 대비시킨 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 분포 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 증기 터빈에 조립된 터빈 동익의 익고 0~ 50%까지의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 나타내는 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 분포 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 증기 터빈에 조립된 터빈 동익의 익고 0~ 100%까지의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 정지시와 운전시로 대비시킨 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 분포 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 증기 터빈에 조립된 터빈 동익의 익고 0~ 100%까지의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 나타내는 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 분포 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 증기 터빈에 조립된 터빈 노즐익의 익근에서의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)와 터빈 스테이지 손실과의 관계를 나타내는 터빈 스테이지 손실 분포 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 증기 터빈에 조립된 터빈 노즐익의 익선단에서의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)와 터핀 스테이지 손실과의 관계를 나타내는 터빈 스테이지 손실 분포 그래프.
도 10은 종래의 증기 터빈에 조립된 최종 터빈 스테이지에서의 터빈 노즐익과 터빈 동익을 나타내는 개략 단면도.
도 11은 도 10의 11-11화살표 방향에서 본 중간 접속부의 개략도.
도 12는 도 10의 12-12화살표 방향에서 본 익선단 접속부의 개략 사시도.
도 13은 종래의 최종 스테이지에서의 터빈 동익의 익근, 익평균경부, 익선단의 위치에서 유입하는 터빈 구동 증기의 속도 삼각형을 나타내는 개략도.
도 14는 종래의 최종 터빈 스테이지에서의 터빈 동익의 익렬을 나타내는 부분 전개 단면도.
도 15는 종래의 증기 터빈에 조립된 최종 터빈 스테이지의 터빈 동익의 정지시의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)와 운전시의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 대비시킨 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 분포 그래프.
도 16은 종래의 증기 터빈에 조립된 최종 터빈 스테이지의 터빈 노즐익의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 나타내는 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 분포 그래프.
도 17은 종래의 증기 터빈에 조립된 최종 터빈 스테이지에서의 터빈 노즐익의 손실 분포 그래프.
상기 과제를 달성하기 위해서 본 발명의 터빈 노즐익용으로 고안해서 채용한 삼차원 익 설계는 터빈 구동 증기를 삼차원 유동으로 취급하여 삼차원 유동을 제어한다. 따라서 종래의 단순 삼차원 익 설계법보다 정확도가 높다.
바꾸어 말하면 터빈 익렬에서 터빈 동익의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)가 운전 전에 미리 오프셋되어 있다. 터빈 구동 증기 유입각에 따라서 적절하게 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 분포를 설정함에 따라, 운전 중에 익 풀림이 발생하더라도 적정치를 유지함으로써 유동이 과도하게 팽창하여 초음속 영역이 생기는 것을 방지할 수 있다.
동시에 터빈 동익과 터빈 노즐익 모두에 대해 터빈 구동 증기 유량을 손실이 큰 벽면 근처의 영역에서는 줄이는 한편, 손실이 적은 벽면으로부터 떨어진 영역에서는 늘이도록 반경 방향으로의 유량 분포가 주어진다.
(발명의 실시예)
본 발명 및 부가적인 많은 잇점에 대한 보다 완전한 이해는 첨부한 도면에 따른 이하의 상세한 설명을 참조하면 용이하게 이루어 질 수 있을 것이다.
이하 본 발명에 따른 증기 터빈에 조립된 터빈 동익 및 터빈 노즐익의 실시예를 도면 및 도면 중에 붙인 참조 번호를 참조하여 설명한다.
본 실시예에 관한 증기 터빈은 도 1에 나타내는 바와 같이, 내측 다이어프램(23) 및 외측 다이어프램(24)에 의해 지지된 터빈 노즐익(20)과 터빈축(25)에 매립된 터빈 동익(21)의 조합으로 터빈 스테이지(22)를 구성하고, 이와 같은 터빈 스테이지(22)를 터빈축(25)을 따라 복수로 배치하는 구성으로 되어 있다.
익은 88~ 92 중량%의 티타늄, 4~8 중량%의 알루미늄 및 2~ 6 중량%의 바나듐을 포함하는 합금으로 이루어진다. 회전수 3000rpm의 50Hz 영역 또는 회전수 3600rpm의 60Hz 영역에서 사용된다.
터빈 동익(21)은 익매립부(26), 익유효부(27)를 갖는다. 또한 터빈 동익(21)은 익선단에서의 익선단 접속부(28)와, 익중간 부분에서의 중간 접속부(29)를 구비하고 있다.
익유효부(27)의 익근의 직경을 1.4m이상, 익고를 1.0m이상으로 한다.
중간 접속부(29)는 익고의 50~70%의 범위의 위치에 설치되어 있고, 운전중 터빈 동익(21)의 진동을 저감함과 동시에, 터빈 동익(21)의 익의 풀림을 적게 억제하도록 설계되어 있다. 익선단 접속부(28) 및 중간 접속부(29)는 각각 도 11 및 도 12에 나타낸 구성과 마찬가지이므로, 그 설명을 생략한다.
터빈 동익(21)은 도 2에 나타내는 익렬 성능 분포를 갖는다. 이 익렬 성능 분포는 세로축에 공기 역학적 손실(터빈 동익 손실)을, 가로축에 익고를 각각 나타내고, 익고의 15~45%의 범위에서 공력 손실이 작아진다. 이 익렬 성능 분포는 터빈 구동 증기 유동의 수치 해석에 의해 구해진 것으로, 모델 터빈의 실험 데이터와 잘 맞고 익렬의 삼차원 설계를 할 때에 효과적인 데이터이다.
이와 같은 설계 요건에 따른 익렬 성능 분포를 구비한 터빈 동익(21)은 도 3에 나타내는 바와 같이, 하나의 익유효부(27a)와 인접 익유효부(27b)와의 피치를 T로 하고, 익유효부(27a)의 배면(30)과 익유효부(27b)의 밸리로 형성된 유로의 쓰로트(가장 좁은 통로)의 간극을 S로 할 때, 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 적절히 설정함으로써 터빈 익렬의 삼차원 유동 패턴을 최적으로 할 수 있다.
도 3에서 익근으로부터 익선단으로의 방향을 따른 임의 위치에서 절단할 때, 예를 들어 익근(익고 0%) 주변의 익단면을 A0, 익고 15% 주변의 익단면을 A15, 익고 30% 주변의 익단면을 A30, 익고 85% 주변의 익단면을 A85, 익선단(익고100%) 주변의 익단면을 A100로 할 때, 각 단면(A0, A15, …)에 종래보다도 큰 꼬임각이 주어지면, 각 후단부(31, 31, …)를 파선으로 이은 후단 능선(TERL)이 실선으로 이은 오프셋 후단 능선(OTERL)으로 변위된다.
구체적으로는 익단면(A0)이 점(P0)으로부터 점(Q0)으로, 익단면(A15)이 점(P15)으로부터 점(Q15)으로, 익단면(A85)이 점(P85)으로부터 점(Q85)으로 변위되도록, 꼬임각이 시계 방향으로 부여되고, 또 익단면(A30)이 점(P30)으로부터 점(Q30)으로, 익단면(A100)이 점(P100)으로부터 점(Q100)으로 변위되도록, 꼬임각이 반시계 방향으로 부여된다. 또 각 익단면(A0, A15, …)의 전단부(32, 32, …)는 실선으로 이은 오프셋 전단 능선(OLERL)에 형성된다. 각 익단면(A0, A30, …)에 주어지는 꼬임각은 전단부를 좌측으로 하고, 동시에 배부를 상측으로 보았을 때 시계 방향 또는 반시계 방향이다.
상술한 바와 같은 꼬임각을 주어 오프셋하면, 터빈 동익(21)은 터빈 동익의 간격으로 정의되는 쓰로트ㆍ피치비(S/T)가, 정지시에 도 4에 나타내는 바와 같이 실선으로 나타내는 분포가 되고, 운전시에 파선으로 나타내는 분포가 된다.
각 익단면(A0, A15, …)에 종래보다도 큰 익 꼬임각을 주고, 이 익 꼬임각에 의거하여 각 익단면(A0, A15, …)의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 정하면, 그 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 분포는 도 4의 실선으로 나타내는 바와 같이, 최대값과 최소값을 구비한 대략 S자상의 곡선을 형성한다. 동시에 일점 쇄선으로 나타내는 종래의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 위치로부터 현저하게 변위, 소위 오프셋하여 유지된다.
이와 같이 본 실시예에서는 각 익단면(A0, A15, …)에 미리 종래보다도 큰 익 꼬임각을 주어 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 정하고, 그 정해진 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 실선으로 나타내는 위치로 오프셋한다. 이러한 차분(differential)의 꼬임각을 종래와 대비시키기 위해 이하에 "차분 익 꼬임각"으로 정의한다.
운전시에 발생하는 풀림에 의해 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 분포가 오프셋 위치로부터 이동해서 파선으로 나타낸 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 위치에 일치하게 된다. 따라서 터빈 구동 증기가 손실이 적은 영역에 많이 흐르게 하고, 또 손실이 큰 영역에 적게 흐르게 함으로써, 터빈 익렬 성능을 향상시킬 수 있다.
도 4에 나타낸 터빈 동익(21)의 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 분포 그래프는 익근으로부터 익선단으로의 익 전체에 걸쳐서 전체 익단면(A0, A15, …)에 차분 익 꼬임각을 설정하여 준 것이다. 그러나 차분 익 꼬임각을 익의 전역에 부여할 것이지, 혹은 일부분에만 부여할 것인지는 터빈 구동 증기가 아음속 유동인지, 또는 천음속 유동인지, 또는 초음속 유동인지에 따라 다르다.
터빈 구동 증기가 아음속 유동 혹은 천음속 유동일 경우, 터빈 동익(21)은 도 5에 나타내는 바와 같이, 익근(익고 0%)을 기준으로, 익고 10~ 45%의 범위의 각 익단면에 차분 익 꼬임각을 주어 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 정하며, 정해진 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 분포는 최소값 및 최대값 중 하나를 갖는 곡선, 또는 최소값 및 최대값을 모두 갖는 소위 S자 곡선을 형성한다. 구체적으로는 익고 10~20%의 범위의 위치에서 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 최소값이 형성되고, 익고 15%~ 45%의 범위의 위치에서 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 최대값이 형성되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 익고 10~45%의 범위의 각 익단면에 차분 익 꼬임각을 주어 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 정하고, 이 정해진 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 분포를 최소값 및 최대값 중 하나를 갖는 곡선, 또는 최소값 및 최대값을 모두 갖는 S자 곡선으로 한 것은 운전 중에 발생하는 익 풀림을 보상함과 동시에, 도 2에서 나타낸 터빈 동익 손실이 작은 영역에 보다 많은 터빈 구동 증기를 흐르게 하기 위함이다. 그러나 익고 10% 이하의 위치에서 차분 익 꼬임각을 줌에 있어서 특별한 주의를 요한다.
즉 익근의 벽면 근처에서 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 너무 작게 하면 유출각이 과도하게 작아져서, 응력 집중을 완화하기 위해 루트 필레(root fillet)가 달려 있는 익과 매립부 사이의 익근의 코너부 인근의 난류가 강화되어 2차 유동 손실이 증가된다. 루트 필레부를 포함한 실제의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)가 과소해지는 것을 방지하기 위해, 루트 필레 부분의 익 꼬임각을 조정하고, 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 어느 정도 크게 하여 둘 필요가 있다.
또 터빈 구동 증기가 초음속 유동일 경우, 터빈 동익(21)은 도 6에 나타내는 바와 같이, 익근을 기준으로 상술한 바와 같이 익고 10~ 95%의 각 익단면에 차분 익 꼬임각을 주어 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 정한다. 이와 같이 정해진 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 분포를 익고 10~ 95%의 범위에서 최소값과 최대값을 갖는 S자 곡선을 형성하며, 익고 70~ 95%의 범위, 바람직하게는 익고 80~ 90%의 범위에서 최소값을 갖는 곡선의 분포로 오프셋한다. 이러한 배치는 운전 중에 익이 풀려서 발생하는 팽창 부분(도 15)을 억제하여 터빈 구동 증기가 안정 상태로 흐르게 함으로써 충격파의 생성을 억제한다.
또한 터빈 노즐익으로부터 유출하는 증기가 공기 역학적 구성에서 보다 효과적으로 터빈 동익과 협동하게 하기 위해, 터빈 노즐익(20)의 익단면에도 차분 익 꼬임각을 줌으로써 장익의 터빈에서의 터빈 효율 향상을 실현할 수 있다. 터빈 노즐익의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)는 도 14에서 나타낸 터빈 동익(4)에 적용한 경우와 마찬가지로 정의한다.
이 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 분포는 도 7에 나타내는 바와 같이, 익근(익고 0%)으로부터 익선단(익고 100%)의 익고 방향의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 고려할 때, 익근을 기준으로 익고 20~ 80%의 익고 범위에서 외측을 향해서 최대값을 형성하도록 팽대한다. 여기서 터빈 노즐익(20)은 도 1에 나타낸 내측 다이어프램(23) 측을 익근으로 정의하고, 또 외측 다이어프램(24) 측을 익선단으로 정의한다.
쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 분포를 익고 20~ 80%의 범위에서 최대값을 형성하도록 익단면에 익 꼬임각을 줄 때, 익근(익고 0%)의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)는 01~0.5의 범위, 또 익선단(익고 100%)의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)는 0.14~0.5의 범위로 각각 설정한다.
이렇게 해서 전체 손실(터빈 노즐익 손실+ 터빈 동익 손실)이 줄어든다.
도 8에서 나타낸 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 0.1~0.5는 모델 터빈으로부터 구한 바람직한 적용 범위이다. 익근에서 쓰로트ㆍ피치비(S/T)가 너무 작으면, 상술한 값을 경계로 하여 벽면 근처의 2차 유동(난류) 손실이 급증하여 손실이 급증하기 때문이다. 또 반경 방향의 유량 분포의 균형이 무너져, 외측 벽면에 과대한 유량이 흘러 외측 벽면 근처의 마찰 손실이 급증한다.
익선단(익고 100%)에서의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 0.14~0.5의 범위로 설정한 것은 도 9에 나타내는 바와 같이, 터빈 스테이지 손실이 적어짐에 따른 것이다. 익선단에서의 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 0.14~0.5도 마찬가지로 모델 터빈으로부터 구한 바람직한 적용 범위이다.
본 실시예를 요약하면 터빈 노즐익(20)의 익단면에 차분 익 피치각을 주어 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 정하며, 정해진 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 분포는 익고 20~ 80%의 범위 내에서 외측을 향해서 최대값을 형성하도록 팽대한다. 동시에 그 분포의 익근(익고 0%)에서의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 0.1~0.5의 범위로 설정하고, 익선단(익고 100%)에서의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)를 0.14~0.5의 범위로 설정하며, 터빈 스테이지 손실이 적은 영역에 보다 많은 터빈 구동 증기를 집중적으로 흐르게 함으로써, 터빈 익렬 성능을 종래보다도 더욱 향상시킬 수 있다.
터빈 노즐익에서도 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 가장 직접적인 설정 방법은 익 꼬임각을 조정하는 것이지만, 밸리의 쓰로트를 형성하는 부분으로부터 후단부에 걸치는 곡률을 변화시켜서 쓰로트ㆍ피치비(S/T)을 조절해도 좋다. 즉 이 부분의 곡률을 작게 하면 후단부가 인근의 익의 배면에 가까워져 쓰로트ㆍ피치비(S/T)가 작아진다. 반대로 곡률을 크게 하면 쓰로트ㆍ피치비(S/T)는 커진다. 또한 후단부 두께를 변화시켜 쓰로트ㆍ피치비(S/T)을 조정할 수도 있지만, 후단부를 두껍게 하면 익렬 성능이 저하되므로, 종합 효율이 유지되는 가운데 다른 조정을 할 필요가 있다.
요약해서 말하면, 본 발명에 따른 증기 터빈에 조립된 터빈 동익에서, 운전시에 발생하는 익 풀림을 고려하여 익단면에 주어지는 익 꼬임각에 의해 정해지는 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 분포를 종래보다도 크게 오프셋하여, 운전시의 쓰로트ㆍ피치비(S/T)가 최적치를 유지하게 하였다. 따라서 터빈 구동 증기를 보다 안정된 상태에서 흐르게 할 수 있어 터빈 익렬 성능을 향상시킬 수 있다.또 터빈 노즐익에 있어서, 익단면에 주어지는 익 꼬임각에 의해 정해지는 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 분포를 외측을 향해서 최대값이 형성되도록 팽대하게 한다. 따라서 터빈 구동 증기를 보다 안정된 상태에서 흐르게 할 수 있어, 종래보다도 터빈 익렬 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 설명한 바의 견지에서 볼 때, 본 발명의 많은 수정과 변경이 가능함이 명백하다.

Claims (16)

  1. 터빈축에 부착된 터빈 동익과 상기 터빈 동익에 축 방향으로 인접하여 배치되는 고정 터빈 노즐익을 각각 구비한 복수의 스테이지를 갖고, 상기 터빈 동익은 그 단부의 중간 및 반경 방향의 외측 선단에서 인접하는 터빈 동익과 상호 접속된 상태로 원주 방향으로 이격되며, 터빈 동익의 각각은 익근으로부터 익선단에 걸쳐 꼬여 있는 증기 터빈의 터빈 동익 조합체에 있어서,
    각 터빈 동익의 익고 방향을 따른 익단면의 꼬임각에 차분을 줌으로써, 익근으로부터 익선단으로의 터빈 동익 익고 방향을 따른 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 분포가 적어도 하나의 최소값과 하나의 최대값을 갖는 곡선을 따르도록 한 것을 특징으로 하는 터빈 동익 조합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 분포는 원심력으로 인해 증기 터빈의 운전 중 발생하는 터빈 동익 풀림을 고려하여 오프셋되어 있는 것인 것을 특징으로 하는 터빈 동익 조합체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    최대값은 터빈 동익 익고의 15~45% 위치에 있는 것을 특징으로 하는 터빈 동익 조합체.
  4. 제3항에 있어서,
    최소값은 터빈 동익 익고의 10~20% 위치에 있고, 최대값은 터빈 동익 익고의 25~35% 위치에 있는 것을 특징으로 하는 터빈 동익 조합체.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    최소값은 터빈 동익 익고의 70~95% 위치에 있는 것을 특징으로 하는 터빈 동익 조합체.
  6. 제3항에 있어서,
    최소값은 터빈 동익 익고의 70~95% 위치에 있는 것을 특징으로 하는 터빈 동익 조합체.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    익단면에 주어지는 차분 익 꼬임각의 일부는 시계 방향으로, 익단면에 주어지는 차분 익 꼬임각의 다른 부분은 반시계 방향으로 꼬인 것을 특징으로 하는 터빈 동익 조합체.
  8. 제7항에 있어서,
    시계 방향으로 주어진 차분 익 꼬임각은 터빈 동익 익고의 0~85% 범위에 위치하고, 반시계 방향으로 주어진 차분 익 꼬임각은 터빈 동익 익고의 30~100% 범위에 위치하는 것을 특징으로 하는 터빈 동익 조합체.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    터빈 동익 조합체는 익근에서의 직경이 적어도 1.4m이고, 터빈 동익 익고는 적어도 1.0m이며, 터빈축이 3000rpm 또는 3600rpm으로 회전하는 것을 특징으로 하는 터빈 동익 조합체.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 터빈 동익은 88~92중량%의 티타늄, 4~8중량%의 알루미늄 및 2~6중량%의 바나듐의 조성으로 된 티타늄 합금으로 만들어진 것을 특징으로 하는 터빈 동익 조합체.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    터빈 동익의 중간 접속부는 터빈 동익 익고의 50~70%의 범위에 위치하는 것을 특징으로 하는 터빈 동익 조합체.
  12. 제1항에 있어서,
    최종 터빈 스테이지와 상기 최종 터빈 스테이지의 상류측의 적어도 하나의 터빈 스테이지에 상기 터빈 동익 차분 꼬임각이 채용되는 것을 특징으로 하는 터빈 동익 조합체.
  13. 터빈축에 부착된 터빈 동익과 상기 터빈 동익에 축 방향으로 인접하여 배치되는 고정 터빈 노즐익을 각각 구비한 복수의 스테이지를 갖고, 터빈 노즐익의 각각은 익근으로부터 익선단에 걸쳐 꼬여 있는 증기 터빈의 터빈 노즐익 조합체에 있어서,
    각 터빈 노즐익의 익고 방향을 따른 익단면의 꼬임각에 차분을 줌으로써, 익근으로부터 익선단으로의 터빈 동익 익고 방향을 따른 쓰로트ㆍ피치비(S/T) 분포가 터빈 노즐익 익고의 20~80% 범위에 위치한 적어도 하나의 최대값을 갖는 곡선을 따르도록 한 것을 특징으로 하는 터빈 노즐익 조합체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 쓰로트ㆍ피치비(S/T)는 익근 위치에서 0.1~0.5 범위의 값을 갖고, 익선단 위치에서 0.14~0.5 범위의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 터빈 노즐익 조합체.
  15. 제13항에 있어서,
    최종 터빈 스테이지와 상기 최종 터빈 스테이지의 상류측의 적어도 하나의 터빈 스테이지에 상기 터빈 노즐익 차분 꼬임각이 채용되는 것을 특징으로 하는 터빈 노즐익 조합체.
  16. 케이싱과, 상기 케이싱 내에서 회전가능한 축과, 터빈축에 부착된 터빈 동익과 상기 터빈 동익에 축 방향으로 인접하여 배치되는 고정 터빈 노즐익을 각각 구비한 복수의 스테이지를 갖고, 상기 터빈 동익은 그 단부의 중간 및 반경 방향의 외측 선단에서 인접하는 터빈 동익과 상호 접속된 상태로 원주 방향으로 이격되며, 터빈 동익의 각각은 익근으로부터 익선단에 걸쳐 꼬여 있는 증기 터빈에 있어서,
    각 터빈 동익의 익고 방향을 따른 익단면의 꼬임각에 차분을 줌으로써, 익근으로부터 익선단으로의 터빈 동익 익고 방향을 따른 쓰로트ㆍ피치비(S/T)의 분포가 적어도 하나의 최소값과 하나의 최대값을 갖는 곡선을 따르도록 한 것을 특징으로 하는 증기 터빈.
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