KR100802121B1

KR100802121B1 - 터빈장치

Info

Publication number: KR100802121B1
Application number: KR1020000030283A
Authority: KR
Inventors: 와타나베히로요시; 하라다히데오미
Original assignee: 가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
Priority date: 1999-06-03
Filing date: 2000-06-02
Publication date: 2008-02-11
Also published as: DK1057969T3; JP2000345801A; EP1057969A2; JP4086415B2; KR20010007189A; CN1276466A; US6431829B1; ATE509186T1; EP1057969B1; CN1276168C; EP1057969A3

Abstract

본 발명은 내경면과 외경면의 사이에 복수의 터빈 블레이드가 배치된 회전자를 가지는 터빈장치를 제공한다. 상기 터빈 블레이드는 내경면 측에서는 전반 부하형 또는 중간 부하형으로, 외경면 측에서는 후반 부하형으로 형성되어 있다.

Description

터빈장치{TURBINE DEVICE}

도 1은 종래의 터빈 회전자 블레이드에 있어서의 흐름손실의 발생을 설명하는 모식도,

도 2는 종래의 터빈 회전자 블레이드에 있어서의 손실의 분포를 나타내는 그래프,

도 3은 터빈 회전자 블레이드로 행해진 일을 설명하는 모식도,

도 4는 종래의 터빈 회전자 블레이드들간의 둘레방향 속도 변화율 분포를 나타내는 그래프,

도 5는 종래의 터빈 회전자 블레이드들간의 허브측에 있어서의 둘레방향 속도 변화율 분포의 형태를 나타내는 그래프,

도 6은 도 5에 도시된 부하분포를 기초로 설계된 베이스에 있어서의 블레이드의 단면형상을 나타내는 도,

도 7은 도 6에 도시된 단면형상을 가진 터빈 회전자 블레이드들간의 흐름을 해석한 결과를 나타내는 도,

도 8은 터빈 회전자 블레이드가 도 6에 도시된 단면형상을 가지는 터빈에 있어서의 손실분포를 나타내는 도,

도 9는 종래의 터빈 회전자 블레이드내의 선단에 있어서 둘레방향 속도 변화율 분포의 형태를 나타내는 그래프,

도 10은 도 9에 도시된 부하분포를 기초로 설계된 선단에 있어서의 블레이드의 단면형상을 나타내는 도,

도 11은 도 10에 도시된 단면형상을 가진 터빈 회전자 블레이드들간의 흐름을 해석한 결과를 나타내는 도,

도 12는 본 발명의 일 실시형태에 따른 부하분포를 나타내는 그래프,

도 13은 본 발명의 일 실시형태에 따른 블레이드형상을 나타내는 도,

도 14는 본 발명의 일 실시형태에 따른 3차원 블레이드형상을 나타내는 도,

도 15는 종래의 3차원 블레이드형상을 나타내는 도,

도 16은 내경면에서의 회전자 블레이드 입구의 선단(edge)과 각각의 반경위치에 있어서의 회전자 블레이드 입구 선단 사이의 둘레방향거리의 반경방향의 변화를 나타내는 그래프,

도 17은 회전자 블레이드 입구에서 목부(throat) 폭의 반경방향의 변화를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 예를 들어 전력발전소 등에 있어서 사용되는 터빈장치에 관한 것이다.

고온가스나 증기의 열에너지를 기계적인 동력이나 전력으로 변환하기 위하여 가스터빈이나 증기터빈이 사용되고 있다. 최근에는 에너지의 고갈이나 지구온난화를 방지하기 위하여 에너지변환기계인 터빈의 성능을 향상시키는 것이 터빈제조회사에 있어서 매우 중요한 과제로 되어 있다.

고압터빈 및 중압터빈에서는 터빈내경에 대한 블레이드 높이의 비율이 작다. 때문에, 터빈 내경면(inner-diameter surface) 및 외경면(outer-diameter surface)에 조성되는 유체의 에너지가 작은 경계층이라 불리우는 영역의 영향이 크기 때문에, 이들 터빈은 2차흐름에 의한 손실의 비율이 크다. 이 2차흐름의 발생메커니즘은 다음과 같다.

첨부된 도 1에 도시된 바와 같이, 두개의 인접한 회전자 블레이드(1) 사이의 공간으로 유입되는 흐름(G)은 하나의 회전자 블레이드(1)의 압력면(F)으로부터 다른 하나의 회전자 블레이드의 흡입면(suction surface; B)을 향하는 압력구배에 의한 힘을 받는다. 내경면(L) 및 외경면(M)[이하, 허브 단부벽(hub endwall) 및 선단 단부벽(tip endwall)]으로부터 떨어진 주류(main flow)에 있어서는, 이 압력구배에 의한 힘과 흐름의 전향(deflection)에 의한 원심력이 조화를 이루고 있다. 그러나, 단부벽 근처의 경계층내의 흐름은 그 운동 에너지가 작기 때문에 화살표(J)로 나타내는 바와 같이 압력구배에 의한 힘에 의하여 압력면(F)으로부터 흡입면(B)으로 운반된다. 유로후반에서, 이들 흐름은 흡입면(B)에 충돌하여 굽어져서 2개의 유로소용돌이(W)를 형성한다. 이 유로소용돌이(W)에 의하여 단부벽 근처의 경계층내에 저에너지유체가 집적되어, 첨부된 도 2에 나타내는 바와 같이, 블레이드 하류에 2개의 손실피크를 가지는 불균일한 흐름분포를 발생시킨다. 이 불균일한 흐름은 블레이드 하류에서 균일하도록 혼합되나, 이 균일과정에 있어서도 큰 에너지손실을 발생시킨다.

상기한 2차흐름을 억제하여 터빈성능을 향상시키는 방법으로서, 블레이드 높이 전체에 걸쳐 경사면 또는 만곡면을 설치하는 기술이 제안되어 있다. 그러나 이 방법에 의하여 2차흐름을 제어하기 위해서는 블레이드를 크게 경사지게 하거나 만곡시키지 않으면 효과를 얻을 수 없고, 특히 블레이드가 회전자 블레이드인 경우에는 크게 경사진 또는 만곡된 블레이드는 기계적 강도상에 종종 문제를 일으킨다.

종래에 고압 및 중압 터빈에는 2차원적인 설계가 이루어져 왔다. 그러나, 컴퓨터와 흐름해석기술의 발달에 따라, 3차원 블레이드형태가 이들 고압 및 중압터빈에 적용되게 되었다. 이 3차원 블레이드형태는 블레이드의 압력면과 흡입면의 압력차로 주어지는 블레이드상의 부하분포를 3차원적으로 제어하여, 블레이드의 에너지손실을 저감하는 것을 가능케 한다. 그러나, 종래의 3차원 블레이드설계에서는 일정한 블레이드 높이의 복수의 2차원 블레이드형태를 설계하여 그것을 높이방향으로 겹쳐 쌓아 블레이드를 3차원적으로 형성한 것이다. 따라서, 블레이드 높이의 전체에 걸쳐 그 블레이드 상의 압력분포를 섬세하고 제어할 수 없어 손실을 저감할 수 없었다.

따라서, 본 발명의 목적은 3차원적으로 블레이드의 부하분포를 제어하여 에너지 손실의 저감을 달성할 수 있는 터빈장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 내경면과 외경면 사이에 복수의 터빈 블레이드가 배치된 회전자를 가지는 터빈장치가 제공되며, 상기 터빈 블레이드가 내경면 근처에 있어서 전반 부하형 또는 중간 부하형으로, 외경면 근처에 있어서 후반 부하형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 터빈 블레이드내의 둘레방향 속도 변화율 분포를 3차원적으로 부여함으로써, 싱기 블레이드가 내경면 근처에 있어서 전반 부하형 또는 중간 부하형으로, 외경면 근처에 있어서 후반 부하형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈장치이다.

이하, 본 발명의 완성과정을 상세히 설명한다.

발명자는 터빈 회전자 블레이드에 의하여 형성되는 유로에 있어서, 서로다른 블레이드의 높이에서, 터빈 회전자 블레이드가 유체로부터 받는 에너지가 가장 큰 자오면방향내의 위치, 즉 터빈 회전자 블레이드 부하가 가장 큰 위치를 어느 위치로 하면 가장 좋은 결과를 얻을 수 있을지에 착안하였다. 여기서는 해석을 쉽게 하기 위하여, 유로를 자오면 방향을 따라, 전반 영역, 중간 영역, 후반 영역의 3가지로 구분한 설정으로 하였다.

터빈 회전자 블레이드로 이루어지는 일(work)은, 첨부된 도 3에 나타내는 바와 같이, 회전자 블레이드 입구와 출구에서의 절대속도의 둘레방향성분(Vθ)의 변화로써 주어진다. 회전자 블레이드 사이의 둘레방향성분(Vθ)에서의 변화는 이하에 나타내는 관계식에 의하여 회전자 블레이드의 압력면과 흡입면의 압력차 또는 엔탈피차로 주어지는 부하분포와 관련된다.

비압축성 유체의 경우 :

부하분포 = P_p-P_s= (2π/B)ρW(∂r·Vθ/∂m)

압축성 유체의 경우:

부하분포 = h_p - h_s = (2π/B) W (∂r ·Vθ / ∂m)

상기 식에 있어서, P_P와 P_S는 각각 압력면과 흡입면에 있어서의 정압(static pressure), h_P와 h_S는 각각 압력면과 흡입면에 있어서의 정적 엔탈피(static enthalpy), B는 터빈장치에 있어서의 회전자 블레이드의 수, ρ는 유체밀도, W는 압력면과 흡입면 속도의 평균치, (∂r·Vθ/∂m)는 회전자 블레이드 사이의 둘레방향속도(Vθ)의 축방향거리(m)에 대한 변화율이다. 이 식에 의하여 터빈 회전자 블레이드의 부하분포는 둘레방향 속도 변화율과 관련되어 있고, 이것은 둘레방향 속도 변화율의 값에 의해 부하분포를 제어할 수 있음을 나타내고 있다. 특히, 회전자 블레이드내의 임의의 위치에 있어서, 둘레방향 속도 변화율을 크게 하면, 그 위치에 있어서 블레이드면 부하[(P_P- P_S) 또는 (h_P- h_S )]는 커진다.

따라서 블레이드의 부하는 상기 식에 의하여 터빈 회전자 블레이드의 축방향내의 둘레방향 속도 변화율에 관련된다. 여기서 둘레방향성분(Vθ)의 양(+)의 방향을 회전자 블레이드의 회전방향이라고 정의하면, 회전자 블레이드 사이의 유로내에서는 회전자 블레이드 입구로부터 출구를 향하여 둘레방향성분(Vθ)이 감소되기 때문에, 둘레방향성분(Vθ)의 속도 변화율은 음(-)의 값이 된다. 첨부된 도 4에는 터빈 회전자 블레이드 사이의 둘레방향성분의 속도 변화율분포의 예를 나타내고 있다. 일반적으로, 회전자 블레이드의 입구측으로부터 소정범위까지는 둘레방향성분의 변화율이 감소하고, 중간의 소정범위에서는 대략 일정해지며, 후반부분에서는 증가하기 때문에, 분포에 있어서, 2개의 경계치(A, B)(이하, 분기제어점이라 함)가 존재한다. 도 5에 각각 나타내는 바와 같이, 둘레방향성분의 변화율의 분포에 있어서, 이 2개의 분기제어점(Al, B1)이 양쪽 모두 자오면방향에 따른 유로의 전반에 있을 때를 전반 부하형이라 하고, 둘레방향성분의 변화율의 분포에 있어서, 제 1 분기제어점(A2)이 자오면방향에 따른 유로의 전반에 있고, 제 2 분기제어점(B2)이 자오면방향에 따른 유로의 후반에 있는 경우를 중간 부하형이라 하고, 둘레방향성분의 변화율의 분포에 있어서, 2개의 분기제어점(A3, B3)이 모두 자오면방향에 따른 유로의 후반에 있는 경우를 후반 부하형이라 한다.

회전자 블레이드의 중간길이(mid-span) 및 선단에, 어느 임의의 부하분포(전반, 중간, 및 후반 부하형)가 고정되어 있을 때, 회전자 블레이드의 베이스(base)에 있어서의 부하분포를 도 5에 나타내는 것 같은 전반, 중간, 후반 부하형으로 설정한 경우의 영향을 조사하였다. 이와 같은 부하분포를 기초로 설계한 블레이드의 단면형상은 첨부된 도 6에 나타내는 바와 같이 된다. 컴퓨터에 의한 흐름해석에 의하여 이와 같은 베이스 형상을 가진 터빈 회전자 블레이드간의 흐름을 해석한 결과, 터빈 회전자 블레이드의 베이스, 즉 내경면 근처의 속도벡터는 첨부된 도 7에 나타내는 바와 같다. 도 7로부터 후반 부하형의 블레이드 사이의 유로의 중앙에서 흐름분리(flow separation)가 발생하고 있음을 알 수 있다. 이 흐름분리는 압력면으로부터 흡입면을 향하는 강한 2차흐름을 발생시킨다. 첨부된 도 8에 나타내는 바와 같이, 전반 부하형 또는 중간 부하형의 경우와 비교하여 후반 부하형의 블레이드의 내경면(또는 허브 단부벽면) 근처의 에너지 손실피크(loss peak)가 더 크다. 전반 부하형과 중간 부하형의 블레이드의 내경면상의 에너지 손실피크사이에는 큰 차이가 존재하지 않는다.

첨부된 도 9에 나타내는 바와 같이, 블레이드의 선단에 있어서의 부하분포를 전반 부하형과 후반 부하형의 2종류의 부하분포로 설정하고, 이러한 부하분포에 의거하여 블레이드를 상기의 경우와 마찬가지의 방식으로 설계하였을 때, 선단에서의 블레이드의 단면형상은 첨부된 도 10과 같이 된다. 회전자 블레이드의 베이스 및 중간길이에 있어서, 어느 임의의 부하분포(전반, 중간, 및 후반 부하형)에 고정되어 있을 때, 상기 선단에서의 전반 부하형과 후반 부하형의 블레이드의 블레이드 출구에 있어서의 손실분포를 계산한다. 그 결과, 첨부된 도 11에 나타내는 바와 같이, 후반 부하형의 블레이드의 손실피크가 전반 부하형보다 작음을 알 수 있었다. 전반 부하형에서는 회전자 블레이드의 출구의 목부(throat)로부터 하류의 부압면(負壓面)의 길이가 길어져서, 여기서의 경계층의 발달이 후반 부하형보다도 크기 때문이다. 블레이드의 높이방향 중앙부에서, 블레이드는 베이스 및 선단에서의 특성사이의 중간적인 특성을 나타냄을 알 수 있었다.

상기 결과로부터, 터빈 블레이드에 있어서, 2차흐름을 억제하여 가장 손실이 적은 것은, 블레이드의 베이스에 있어서는 전반 부하형이고 선단에 있어서는 중간 부하형인 것을 알 수 있다. 발명자는 그러한 특성을 가진 터빈을 설계하였다.

상기 및 다른 목적, 특징 및 이점은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시로서 도시한 첨부된 도면을 참조한 다음의 설명으로부터 명확해질 것이다.

이하, 본 발명의 일 실시형태를 더욱 상세하게 설명한다. 도 12는 허브와 선단의 직경의 비가 1.33인 터빈장치에 대하여, 상기와 같은 고찰에 의거하여 설정한 부하분포를 나타낸다. 터빈 블레이드는 허브에 있어서는 제 1 분기제어점(Ah)이 자오면거리의 약 17%, 제 2 분기제어점(Bh)이 약 65% 에 있으며 중간 부하형으로 되어 있다. 또한, 선단에 있어서는 제 1 분기제어점(At)이 자오면거리의 약 70%, 제 2 분기제어점(Bt)이 약 83% 에 있고 후반 부하형으로 되어 있다. 허브와 선단의 중간점(중간길이)에서는 제 1 분기제어점(Am)이 자오면거리의 약 47%, 제 2 분기제어점(Bm)이 약 83%에 있고 허브와 선단의 중간 부하형으로 되어있다.

블레이드 전체의 부하분포는 블레이드의 허브, 중간길이 및 선단에서 설정된 부하분포로부터 삽입되어 설정된다. 따라서 블레이드의 허브, 중간길이, 및 선단에서의 부하분포를 상기한 바와 같이 적합하게 설정함으로써, 블레이드 전체의 부하분포를 3차원적으로 적합하게 설정할 수 있다. 이 터빈 블레이드의 허브, 중간길이, 및 선단에서의 단면형상은 도 13에 나타내는 바와 같이 된다.

도 14는, 허브로부터 선단의 유로에 걸쳐 최대부하위치가 다르도록 설정하고, 또한 경계층의 영향이 큰 회전자 블레이드 허브측과 선단측보다도 중간길이 부근에 있어서 상대적으로 큰 일을 하도록 설정한 결과 형성된 블레이드형상을 3차원적으로 나타낸다. 도 14에서, 터빈 회전자 블레이드는 유체흐름의 하류측에서 본 것이다. 도 14에서 알 수 있듯이, 입구의 선단(edge)이 반경방향으로 만곡되어 있다. 도 14에서, S1은 내경면에서의 회전자 블레이드 입구의 선단과 각각의 반경위치에 있어서의 블레이드 입구 선단 사이의 둘레방향거리를 나타낸다. 도 15는 비교예로서 3차원적으로 부하분포의 제어를 하고 있지 않는 종래의 3차원 회전자 블레이드형상을 나타낸다.

도 16은 상기 S1을 블레이드피치로 무차원화한 값(S1/피치)의 반경방향의 변화를 나타내고 있다. 본 발명에 따른 회전자 블레이드에 있어서, 내경면상의 회전자 블레이드 입구 선단을 기준으로 하였을 때, 도 14에 도시된 바와 같이, 회전자 블레이드가 도 14의 화살표로 표시된 방향(지면 좌측에서 우측을 향하는 방향)으로 회전할 때, 회전자 블레이드 입구 선단은 r/rh＜1.15의 범위내에서는 회전자 블레이드 회전방향과는 반대방향에 위치된다. r/rh는 회전자 블레이드의 내경과 직경의 비로 정의된다. 회전자 블레이드 입구 선단은 r/rh＞1.15의 범위내에서는 회전자 블레이드 회전방향과 동일방향에 위치된다.

도 17에 나타내는 바와 같이, 종래 블레이드의 입구에서 유로 내의 목부 폭(O1)는 내경면으로부터 외경면까지 대략 일정한 비율로 증가한다. 본 발명에 따른 회전자 블레이드에 있어서, 상기 블레이드 입구에서 유로 내의 목부 폭(01)을 블레이드 피치로 무차원화한 값(O1/피치)의 증가율은 r/rh＜1.15의 범위에서는 약 0.45이며, r/rh＞1.15의 범위에서는 약 1.3으로 반경방향으로 단조롭게 증가한다.

따라서, 본 발명에 의하면 3차원적으로 블레이드상의 부하분포를 제어함으로써 흐름의 손실을 저감하여 효율좋고 성능이 높은 터빈장치를 제공할 수 있다.

비록, 본 발명의 특정 바람직한 실시예를 상세히 도시하고 설명하였지만, 첨부된 청구항의 범위를 벗어남이 없이 여러가지 변형 및 수정이 가능하다는 것을 알 아야 한다.

Claims

내경면과 외경면의 사이에 복수의 터빈 블레이드가 배치된 회전자를 가지는 터빈장치에 있어서,

상기 터빈 블레이드가 내경면 측에서는 전반 부하형 또는 중간 부하형으로, 외경면 측에서는 후반 부하형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈장치.
제 1항에 있어서,

상기 터빈 블레이드의 자오면방향의 둘레방향 속도 변화율의 분포는 상기 내경면 측에서 상기 터빈 블레이드의 자오면거리의 0∼20%까지는 감소하고, 상기 터빈 블레이드 자오면거리의 20∼50%까지는 일정하며, 상기 터빈 블레이드 자오면거리의 50∼100%까지는 제로까지 증가하는 것을 특징으로 하는 터빈장치.
제 2항에 있어서,

상기 터빈 블레이드의 자오면방향의 둘레방향 속도 변화율의 분포는 상기 터빈 블레이드의 중간길이에서 상기 터빈 블레이드 자오면거리의 0∼50%까지는 감소하고, 상기 터빈 블레이드 자오면거리의 50∼70%까지는 일정하며, 상기 터빈 블레이드 자오면거리의 70∼100%에서는 제로까지 증가하는 것을 특징으로 하는 터빈장치.
제 2항에 있어서,

상기 터빈 블레이드의 자오면방향의 둘레방향 속도 변화율의 분포는 상기 터빈 블레이드의 외경면 측에서 상기 터빈 블레이드 자오면거리의 50∼70%까지는 감소하고, 상기 터빈 블레이드 자오면거리의 70∼100%에서는 제로까지 증가하는 것을 특징으로 하는 터빈장치.
제 1항에 있어서,

상기 내경면과 외경면의 직경의 비가 1.3 내지 1.35이고,

내경면상의 회전자 블레이드의 입구 선단을 기준으로 하여 상기 회전자 블레이드 입구 선단은 r/rh＜1.15의 범위에서는 회전자 블레이드 회전방향과는 반대방향에 위치되고, r/rh＞1.15의 범위에서는 회전자 블레이드 회전방향과 동일방향에 위치되어,

r/rh는 회전자 블레이드의 내경에 대한 직경의 비로 정의되는 것을 특징으로 하는 터빈장치.
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