KR101326470B1 - 터빈 로터 - Google Patents

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KR101326470B1
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아쯔시 마쯔오
다까오 요꼬야마
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

회전축으로 되는 허브와, 허브의 주위면에 설치되고, 유입구로부터 유입되는 작동 유체를 유출구를 향해 받아 넘기는 복수의 터빈 동익을 구비하고, 각 터빈 동익은, 유입구로부터 유출구에 이르는 터빈 동익의 슈라우드측 테두리부를 따른 라인을 슈라우드 라인으로 하고, 슈라우드 라인은, 회전축에 대한 날개 각도가 유입구로부터 유출구를 향하여 작은 변화로 되는 입구측 슈라우드 라인(La)과, 입구측 슈라우드 라인(La)의 유출구측에 이어지고, 입구측 슈라우드 라인(La)보다도 큰 변화로 되는 중앙 슈라우드 라인(Lb)과, 중앙 슈라우드 라인(Lb)의 유출구측으로부터 유출구까지 이어지고, 중앙 슈라우드 라인(Lb)보다도 작은 변화로 되는 출구측 슈라우드 라인(Lc)으로 구성되어 있다.

Description

터빈 로터{TURBINE ROTOR}
본 발명은, 직경 방향으로부터 유입된 작동 유체를 축 방향으로 유출시키는 래디얼 터빈이나 사류 터빈 등의 터빈 로터에 관한 것이다.
종래, 주축 주위에 복수 설치되는 터빈 동익을 구비한 터빈 임펠러(터빈 로터)가 알려져 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조). 이 터빈 임펠러의 터빈 동익은, 유체 출구 후방 모서리부의 날개각 중, 허브부(허브측)와 팁부(슈라우드측) 사이의 중앙부의 날개각(주축에 대한 캠버면의 각도) βMEAN이, 팁부의 날개각 βTIP, 허브부로부터 중앙부까지의 거리 RMEAN 및, 허브부로부터 팁부까지의 거리 RTIP를 변수로서, 소정의 산출식에 기초하여 설정되어 있다. 이에 의해, 래디얼 터빈의 성능 향상을 도모하는 것이 가능한 터빈 동익으로 할 수 있다.
일본 특허 출원 공개 제2008-133765호 공보
그런데, 터빈은 상기의 터빈 로터를 구비하고 있지만, 이 터빈 로터의 외측에는, 터빈 로터의 케이싱으로 되는 슈라우드가 배치되어 있다. 이때, 터빈 로터의 터빈 동익과 슈라우드 사이에는, 터빈 로터의 회전을 허용하기 위해, 간극이 발생하고 있다.
이때, 터빈 동익과 슈라우드 사이에 발생한 간극으로부터 작동 유체가 누설되게 되면, 터빈의 성능은 저하되게 된다. 작동 유체가 누설되는 원인으로서, 터빈 동익은, 그 한쪽의 면이 정압면, 그 다른 쪽의 면이 부압면으로 되어 있고, 터빈 동익의 슈라우드측에 있어서, 정압면과 부압면의 압력차가 크게 되어 버리기 때문이다. 구체적으로, 터빈 동익의 슈라우드측에 있어서, 부압면 상을 흐르는 작동 유체의 유속이 증대되면, 부압면의 압력이 저하됨으로써, 정압면과 부압면의 압력차가 커진다. 그리고, 정압면과 부압면의 압력차가 커지면, 터빈 로터에 유입된 작동 유체는, 터빈 동익과 슈라우드 사이에 발생한 간극으로부터 누설되기 쉬워지므로, 터빈은 작동 유체가 누설된 만큼, 그 성능이 저하되게 된다.
따라서, 본 발명은 터빈의 성능을 향상시키는 것이 가능한 터빈 로터를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 터빈 로터는, 유입구를 통해 직경 방향으로부터 유입된 작동 유체를, 유출구를 통해 축 방향으로 유출시키는 터빈의 터빈 로터에 있어서, 회전축을 중심으로 회전 가능한 허브와, 허브의 주위면에 설치되고, 유입구로부터 유입되는 작동 유체를 유출구를 향해 받아 넘기는 복수의 터빈 동익을 구비하고, 각 터빈 동익은, 허브에 접속된 기단부측이 허브측으로 되어 있고, 자유단부로 되는 선단측이 슈라우드측으로 되어 있고, 터빈 동익의 슈라우드측 테두리부를 따른 유입구로부터 유출구에 이르는 라인을 슈라우드 라인으로 하고, 슈라우드 라인은, 회전축에 대한 날개 각도가, 유입구로부터 유출구를 향하여 작은 변화로 되는 제1 슈라우드 라인과, 제1 슈라우드 라인의 유출구측에 이어지고, 제1 슈라우드 라인보다도 큰 변화로 되는 제2 슈라우드 라인과, 제2 슈라우드 라인의 유출구측으로부터 유출구까지 이어지고, 제2 슈라우드 라인보다도 작은 변화로 되는 제3 슈라우드 라인으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 따르면, 제2 슈라우드 라인의 날개 각도의 변화를, 제1 슈라우드 라인 및 제3 슈라우드 라인의 날개 각도의 변화에 비해 크게 할 수 있다. 여기서, 날개 각도란, 회전축에 대한 슈라우드 라인의 경사 각도이다. 이로 인해, 제2 슈라우드 라인에 있어서의 터빈 동익의 날개 각도의 변화를 크게, 제1 슈라우드 라인 및 제3 슈라우드 라인에 있어서의 터빈 동익의 날개 각도의 변화를 작게 할 수 있다. 이에 의해, 터빈 동익의 슈라우드측의 부압면 상을 흐르는 작동 유체의 유속의 증가를 억제할 수 있기 때문에, 터빈 동익의 슈라우드측의 부압면에 있어서의 압력의 저하를 억제할 수 있으므로, 정압면과 부압면의 압력차를 작게 할 수 있어, 터빈 동익과 슈라우드 사이의 간극으로부터 작동 유체가 누설되는 것을 억제할 수 있다.
이 경우, 제3 슈라우드 라인의 날개 각도의 변화는, 감소 방향으로의 변화로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 유출구측에 있어서의 터빈 동익 간의 형상을, 노즐 형상으로 할 수 있으므로, 터빈 효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 터빈 로터는, 유입구를 통해 직경 방향으로부터 유입된 작동 유체를, 유출구를 통해 축 방향으로 유출시키는 터빈의 터빈 로터에 있어서, 회전축을 중심으로 회전 가능한 허브와, 허브의 주위면에 설치되고, 유입구로부터 유입되는 작동 유체를 유출구를 향해 받아 넘기는 복수의 터빈 동익을 구비하고, 각 터빈 동익은, 허브에 접속된 기단부측이 허브측으로 되어 있고, 자유단부로 되는 선단측이 슈라우드측으로 되어 있고, 터빈 동익의 슈라우드측 테두리부를 따른 유입구로부터 유출구에 이르는 라인을 슈라우드 라인으로 하고, 슈라우드 라인은, 회전축에 대한 날개 각도가, 유입구로부터 유출구를 향하여 큰 변화로 되는 제1 슈라우드 라인과, 제1 슈라우드 라인의 유출구측으로부터 유출구까지 이어지고, 제1 슈라우드 라인보다도 작은 변화로 되는 제2 슈라우드 라인으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 따르면, 제1 슈라우드 라인의 날개 각도의 변화를, 제2 슈라우드 라인의 날개 각도의 변화에 비해 크게 할 수 있다. 즉, 제1 슈라우드 라인에 있어서의 터빈 동익의 날개 각도의 변화를 크게, 제2 슈라우드 라인에 있어서의 터빈 동익의 날개 각도의 변화를 작게 할 수 있다. 이에 의해, 제2 슈라우드 라인에 있어서의 터빈 동익의 날개 각도의 변화를 작게 함으로써, 제2 슈라우드 라인을 직선에 근접하게 할 수 있어, 터빈 동익의 슈라우드측의 부압면 상을 흐르는 작동 유체의 유속의 증가를 억제할 수 있다. 이상으로부터, 터빈 동익의 슈라우드측의 부압면에 있어서의 압력의 저하를 억제할 수 있으므로, 정압면과 부압면의 압력차를 작게 할 수 있어, 터빈 동익과 슈라우드 사이의 간극으로부터 작동 유체가 누설되는 것을 억제할 수 있다.
이 경우, 제1 슈라우드 라인의 길이는, 슈라우드 라인의 길이의 1 내지 2할의 길이로 되어 있고, 제2 슈라우드 라인의 길이는, 슈라우드 라인의 길이로부터 제1 슈라우드 라인의 길이를 뺀, 슈라우드 라인의 길이의 8 내지 9할의 길이로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 슈라우드 라인의 길이의 1 내지 2할을 제1 슈라우드 라인으로 하고, 8 내지 9할을 제2 슈라우드 라인으로 함으로써, 제1 슈라우드 라인의 길이를 제2 슈라우드 라인의 길이에 비해 짧게 할 수 있다. 이에 의해, 제2 슈라우드 라인의 길이를 길게 할 수 있으므로, 터빈 동익의 제2 슈라우드 라인을 더욱 직선에 근접시킬 수 있다.
이 경우, 제2 슈라우드 라인에 있어서의 날개 각도의 변화량으로 되는 날개 전향각은 30° 이하인 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 제2 슈라우드 라인에 있어서의 날개 전향각을 30° 이하로 함으로써, 터빈 동익의 슈라우드측의 부압면 상을 흐르는 작동 유체의 유속의 증속을 적절하게 억제할 수 있다.
이 경우, 슈라우드 라인은, 제1 슈라우드 라인이, 유입구측의 슈라우드 라인으로 되는 입구측 슈라우드 라인이며, 제2 슈라우드 라인이, 입구측 슈라우드 라인의 유출구측으로부터 유출구까지 이어지는 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인이며, 허브의 회전축을 포함하는 단면으로 되는 자오 단면(meridional cross section)에 있어서, 입구측 슈라우드 라인의 곡률 반경은 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인의 곡률 반경에 비해 작게 되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 입구측 슈라우드 라인의 곡률 반경을, 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인의 곡률 반경에 비해 작게 할 수 있다. 이에 의해, 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인의 곡률 반경을 크게 할 수 있으므로, 슈라우드측의 부압면측에 있어서, 작동 유체의 유속의 증가를 억제할 수 있다. 따라서, 터빈 동익의 슈라우드측에 있어서의 부압면의 압력의 저하를 억제할 수 있어, 터빈 동익과 슈라우드 사이의 간극으로부터 작동 유체가 누설되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 터빈 동익 간에는, 유입구로부터 유출구에 이르는 작동 유체의 유로가 형성되고, 유로는 그 흐름 방향이 직경 방향으로부터 전향부를 통하여 축 방향으로 전향되어 있고, 입구측 슈라우드 라인은 유입구로부터 전향부까지의 사이의 길이로 되어 있다.
이 경우, 입구측 슈라우드 라인은 R 형상으로 형성되는 한편, 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인은 직선 형상으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 입구측 슈라우드 라인을 R 형상으로 형성하고, 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인을 직선 형상으로 형성할 수 있으므로, 터빈 동익의 슈라우드측에 있어서의 부압면의 압력의 저하를 더 억제할 수 있다.
이 경우, 각 터빈 동익의 유입구측 테두리부를 따른 라인인 유입구 라인은 회전축에 대하여 회전 방향으로 기울어져 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 유입구로부터 유입되는 작동 유체를 허브측으로 향하게 할 수 있다. 이로 인해, 작동 유체가 슈라우드측으로 향하여 집중적으로 흐르는 것을 억제할 수 있으므로, 터빈 동익과 슈라우드 사이의 간극으로 흐르는 것을 억제할 수 있어, 이에 의해 간극으로부터 작동 유체가 누설되는 것을 억제할 수 있다.
이 경우, 회전축에 대한 유입구 라인의 경사 각도는 10° 내지 25°인 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 유입구 라인의 경사 각도를 적합한 것으로 할 수 있으므로, 작동 유체의 누설을 적절하게 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 터빈 로터는, 유입구를 통해 직경 방향으로부터 유입된 작동 유체를, 유출구를 통해 축 방향으로 유출시키는 터빈의 터빈 로터에 있어서, 회전축을 중심으로 회전 가능한 허브와, 허브의 주위면에 설치되고, 유입구로부터 유입되는 작동 유체를 유출구를 향해 받아 넘기는 복수의 터빈 동익을 구비하고, 각 터빈 동익은, 허브에 접속된 기단부측이 허브측으로 되어 있고, 자유단부로 되는 선단측이 슈라우드측으로 되어 있고, 터빈 동익의 슈라우드측 테두리부를 따른 라인을 슈라우드 라인으로 하고, 슈라우드 라인은, 유입구측의 슈라우드 라인으로 되는 입구측 슈라우드 라인과, 입구측 슈라우드 라인의 유출구측으로부터 유출구까지 이어지는 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인으로 구성되고, 허브의 회전축을 포함하는 단면으로 되는 자오 단면에 있어서, 입구측 슈라우드 라인의 곡률 반경은 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인의 곡률 반경에 비해 작게 되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 따르면, 입구측 슈라우드 라인의 곡률 반경을 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인의 곡률 반경에 비해 작게 할 수 있다. 이에 의해, 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인의 곡률 반경을 크게 할 수 있으므로, 슈라우드측의 부압면측에 있어서, 작동 유체의 유속의 증가를 억제할 수 있다. 따라서, 터빈 동익의 슈라우드측에 있어서의 부압면의 압력의 저하를 억제할 수 있어, 터빈 동익과 슈라우드 사이의 간극으로부터 작동 유체가 누설되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 터빈 로터는, 유입구를 통해 직경 방향으로부터 유입된 작동 유체를, 유출구를 통해 축 방향으로 유출시키는 터빈의 터빈 로터에 있어서, 회전축을 중심으로 회전 가능한 허브와, 허브의 주위면에 설치되고, 유입구로부터 유입되는 작동 유체를 유출구를 향해 받아 넘기는 복수의 터빈 동익을 구비하고, 각 터빈 동익의 유입구측 테두리부를 따른 라인인 유입구 라인은 회전축에 대하여 회전 방향으로 기울어져 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 따르면, 유입구로부터 유입되는 작동 유체를 허브측으로 향하게 할 수 있다. 이로 인해, 작동 유체가 슈라우드측으로 향하여 집중적으로 흐르는 것을 억제할 수 있으므로, 터빈 동익과 슈라우드 사이의 간극으로 흐르는 것을 억제할 수 있어, 이에 의해 간극으로부터 작동 유체가 누설되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명의 터빈 로터에 따르면, 각 터빈 동익의 형상을 적합한 것으로 할 수 있으므로, 터빈의 성능 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 관한 터빈 로터를 구비한 래디얼 터빈을 모식적으로 나타낸 자오 단면도이다.
도 2는 제1 실시예에 관한 터빈 로터의 외관 사시도이다.
도 3은 종래에 관한 터빈 로터의 외관 사시도이다.
도 4는 종래의 터빈 로터 및 제2 실시예의 터빈 로터의 슈라우드 라인 및 허브 라인에 있어서의 터빈 동익의 날개 각도의 분포에 관한 그래프이다.
도 5는 제1 실시예의 터빈 로터 및 제2 실시예의 터빈 로터의 슈라우드 라인 및 허브 라인에 있어서의 터빈 동익의 날개 각도의 분포에 관한 그래프이다.
도 6은 제2 실시예에 관한 터빈 로터의 외관 사시도이다.
도 7은 종래에 관한 터빈 로터의 유로 내에 있어서의 터빈 효율의 분포도이다.
도 8은 제2 실시예에 관한 터빈 로터의 유로 내에 있어서의 터빈 효율의 분포도이다.
도 9는 제2 실시예에 관한 터빈 로터의 날개 전향각에 따라서 변화되는 터빈 효율의 손실에 관한 그래프이다.
도 10은 제3 실시예에 관한 터빈 로터 및 종래에 관한 터빈 로터의 터빈 동익의 자오 단면도이다.
도 11은 제4 실시예에 관한 터빈 로터의 일부를 도시하는 외관 사시도이다.
도 12는 종래에 관한 터빈 로터의 일부를 도시하는 외관 사시도이다.
도 13은 제4 실시예의 구성을 적용한 제2 실시예의 터빈 동익 및 종래의 터빈 동익의 주위 방향(θ 방향)에 있어서의 각각의 날개 각도의 분포를 나타낸 그래프이다.
도 14는 제4 실시예의 구성을 적용한 제1 실시예의 터빈 동익 및 제4 실시예의 구성을 적용한 제2 실시예의 터빈 동익의 주위 방향(θ 방향)에 있어서의 각각의 날개 각도의 분포를 나타낸 그래프이다.
도 15는 종래의 터빈 로터의 유로 내에 있어서의 작동 유체의 유선을 나타낸 자오 단면도이다.
도 16은 제4 실시예의 터빈 로터의 유로 내에 있어서의 작동 유체의 유선을 나타낸 자오 단면도이다.
도 17은 종래 및 제1 실시예에 관한 터빈 동익의 슈라우드측에 있어서의 정압면과 부압면의 유속 변화를 나타내는 그래프이다.
도 18은 종래 및 제1 실시예에 관한 터빈 동익의 슈라우드측에 있어서의 정압면과 부압면의 압력 변화를 나타내는 그래프이다.
도 19는 종래 및 제2 실시예에 관한 터빈 동익의 슈라우드측에 있어서의 정압면과 부압면의 유속 변화를 나타내는 그래프이다.
도 20은 종래 및 제2 실시예에 관한 터빈 동익의 슈라우드측에 있어서의 정압면과 부압면의 압력 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명에 관한 터빈 로터에 대해서 설명한다. 또한, 이 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기 실시예에 있어서의 구성 요소에는, 당업자가 치환 가능하면서 용이한 것, 혹은 실질적으로 동일한 것이 포함된다.
<제1 실시예>
도 1에 도시하는 바와 같이, 터빈 로터(6)는 래디얼 터빈(1)의 일부를 구성하고 있고, 래디얼 터빈(1)은 외측 쉘로 되는 터빈 케이싱(5)과, 터빈 케이싱(5)의 내부에 배치된 터빈 로터(6)로 구성되어 있다.
터빈 케이싱(5)은, 그 중앙 내부에 배치된 터빈 로터(6)의 회전축(S)의 축 방향으로 유출구(11)가 형성되고, 터빈 로터(6)의 외측의 주위 방향으로 소용돌이 형상의 스크롤(12)이 형성되어 있다. 그리고, 스크롤(12) 내를 흐르는 작동 유체는, 스크롤(12)과 터빈 로터(6) 사이에 형성된 유입구(13)를 통해 직경 방향으로부터 터빈 로터(6)에 유입되고, 터빈 로터(6)를 통과하여, 유출구(11)로부터 유출된다.
터빈 로터(6)는, 회전축(S)을 중심으로 회전하는 허브(20)와, 허브(20)의 주위면에 설치되는 동시에 축심으로부터 방사상으로 배치된 복수의 터빈 동익(21)을 갖고 있고, 유입된 작동 유체를 복수의 터빈 동익(21)에 받아서 회전하도록 구성되어 있다.
이때, 터빈 케이싱(5)은 터빈 로터(6)의 터빈 동익(21)에 대향하는 슈라우드(24)를 갖고 있고, 슈라우드(24), 허브(20) 및 각 터빈 동익(21)에 의해 작동 유체가 흐르는 유로(R)가 구획되어 있다.
또한, 각 터빈 동익(21)은, 허브(20)의 주위면[허브면(20a)]에 접속된 고정 단부측(기단부측)이 허브측으로 되어 있고, 슈라우드측에 근접한 자유단부측(선단측)이 슈라우드측으로 되어 있다. 또한, 도 1에 도시하는 바와 같이, 유입구(13)로부터 유출구(11)에 이르는 터빈 동익(21)의 슈라우드측 테두리부를 따른 라인을 슈라우드 라인(L2)으로 하고, 유입구(13)로부터 유출구(11)에 이르는 터빈 동익(21)의 허브 측부 테두리부를 따른 라인을 허브 라인(H2)으로 하고 있다. 이때, 각 터빈 동익(21)과 슈라우드(24) 사이에는, 터빈 로터(6)가 회전 가능하도록 간극(C)이 형성되어 있다.
따라서, 터빈 로터(6)의 직경 방향으로부터 유입구(13)를 통해 작동 유체가 유입되면, 유입된 작동 유체는 유로(R)를 통과하고, 이에 의해 각 터빈 동익(21)은 유입된 작동 유체를 받아서 회전한다. 이때, 유로(R)를 구성하는 한쪽의 터빈 동익(21)의 캠버면은 정압면(21a)으로 되어 있고, 다른 쪽의 터빈 동익(21)의 캠버면은 부압면(21b)으로 되어 있다. 바꿔 말하면, 각 터빈 동익(21)의 한쪽의 캠버면이 정압면(21a)으로 되어 있고, 다른 쪽의 캠버면이 부압면(21b)으로 되어 있다. 그리고, 유로(R)를 통과한 작동 유체는 유출구(11)로부터 유출된다.
여기서, 도 2를 참조하여 제1 실시예의 터빈 로터(6)의 터빈 동익(21)을 도시하는 동시에, 도 3을 참조하여 종래의 터빈 로터(100)의 터빈 동익(101)을 도시한다. 또한 도 4 및 도 5로부터, 종래의 터빈 로터(100)의 터빈 동익(101)의 형상과, 제1 실시예의 터빈 로터(6)의 터빈 동익(21)의 형상을, 후술하는 제2 실시예의 터빈 로터(30)의 터빈 동익(32)의 형상을 통하여, 간접적으로 비교한다. 이하, 제1 실시예의 터빈 로터(6)의 터빈 동익(21)의 특징 부분에 대해서 설명한다.
도 4에는, 종래의 터빈 동익(101)에 있어서의 슈라우드 라인(L1) 및 허브 라인(H1)과, 제2 실시예의 터빈 동익(32)에 있어서의 슈라우드 라인(L3) 및 허브 라인(H3)이 나타내어져 있다. 또한 도 5에는, 제1 실시예의 터빈 동익(21)에 있어서의 슈라우드 라인(L2) 및 허브 라인(H2)과, 제2 실시예의 터빈 동익(32)에 있어서의 슈라우드 라인(L3) 및 허브 라인(H3)이 나타내어져 있다.
종래의 터빈 동익(101)은, 유입구(105)로부터 유출구(106)에 걸쳐서, 회전축(S)에 대한 슈라우드 라인(L1)의 경사 각도(날개 각도 β)의 변화가 서서히 증가되어 있다. 다음에, 제2 실시예의 터빈 동익(32)은, 유입구(34)로부터 유출구(35)에 걸쳐서, 회전축(S)에 대한 슈라우드 라인(L3)의 경사 각도(날개 각도 β)의 변화가, 유입구(34)측에 있어서 크게, 중앙 및 유출구(35)측에 있어서 작게 되어 있다. 그리고, 제1 실시예의 터빈 동익(21)은, 유입구(13)로부터 유출구(11)에 걸쳐서, 회전축(S)에 대한 슈라우드 라인(L2)의 경사 각도(날개 각도 β)의 변화가, 유입구(13)측에 있어서 작게, 중앙에 있어서 크게, 유출구(11)측에 있어서 작게 되어 있다.
한편, 종래의 터빈 동익(101)은, 유입구(105)로부터 유출구(106)에 걸쳐서, 회전축(S)에 대한 허브 라인(H1)의 경사 각도(날개 각도 β)가, 유입구(105)측에 있어서 대략 평탄하게 되어 있고, 중앙 및 유출구(106)측에 있어서 서서히 증가되어 있다. 다음에, 제2 실시예의 터빈 동익(32)은, 회전축(S)에 대한 허브 라인(H3)의 경사 각도(날개 각도 β)가, 유입구(34)측으로부터 중앙에 걸쳐서 감소되어 있고, 중앙으로부터 유출구(35)측에 걸쳐서 증가되어 있다. 그리고, 제1 실시예의 터빈 동익(21)은 제2 실시예와 마찬가지로, 회전축(S)에 대한 허브 라인(H2)의 경사 각도(날개 각도 β)가, 유입구(13)측으로부터 중앙에 걸쳐서 감소되어 있고, 중앙으로부터 유출구(11)측에 걸쳐서 증가되어 있다.
구체적으로, 도 4 및 도 5를 참조하여, 종래의 터빈 동익(101)의 슈라우드 라인(L1)에 있어서의 날개 각도 β와, 제1 실시예의 터빈 동익(21)의 슈라우드 라인(L2)에 있어서의 날개 각도 β에 대해서 설명한다. 도 4 및 도 5에 도시하는 그래프는, 그 횡축이 자오 단면[회전축(S)을 포함하는 단면]에 있어서의 슈라우드 라인의 유입구(13, 105)로부터 유출구(11, 106)까지의 길이로 되어 있고, 그 종축이 날개 각도 β로 되어 있다.
이때, 슈라우드 라인(L1, L2)은, 유입구(13, 105)측에 있어서의 입구측 슈라우드 라인(La)(제1 슈라우드 라인)과, 유출구(11, 106)측에 있어서의 출구측 슈라우드 라인(Lc)(제3 슈라우드 라인)과, 입구측 슈라우드 라인(La)과 출구측 슈라우드 라인(Lc) 사이의 중앙 슈라우드 라인(Lb)(제2 슈라우드 라인)으로 구성되어 있다. 구체적으로, 유입구(13, 105)로부터 유출구(11, 106)에 이르는 작동 유체의 유로(R)는, 그 흐름 방향이 직경 방향으로부터 전향 위치(D1)를 통하여 축 방향으로 전향되어 있고, 입구측 슈라우드 라인(La)은 유입구(13, 105)로부터 전향 위치(전향부)(D1)까지의 사이의 길이로 되어 있다. 또한, 중앙 슈라우드 라인(Lb)은 전향 위치(D1)로부터 소정 길이 이격된 소정 위치(D2)까지의 길이로 되어 있다. 그리고, 출구측 슈라우드 라인(Lc)은 소정 위치(D2)로부터 유출구(11, 106)까지의 사이의 길이로 되어 있다.
그리고, 입구측 슈라우드 라인(La)의 길이는 슈라우드 라인(L1, L2)의 길이의 2할 정도로 되어 있고, 중앙 슈라우드 라인(Lb)의 길이는 슈라우드 라인(L1, L2)의 길이의 6할 정도로 되어 있고, 출구측 슈라우드 라인(Lc)의 길이는 슈라우드 라인(L1, L2)의 길이의 2할 정도로 되어 있다.
도 4의 그래프를 보면, 종래의 터빈 동익(101)에서는, 슈라우드 라인(L1)의 유입구(105)로부터 유출구(106)에 걸쳐서, 날개 각도 β의 변화가 거의 일정한 비율로 감소되어 있다. 즉, 종래의 터빈 동익(101)의 슈라우드측에 있어서의 날개 각도 β는 유출구(106)를 향함에 따라서, 회전축(S)에 대해 서서히 경사져 간다. 구체적으로, 슈라우드 라인(L1)에 있어서의 입구측 슈라우드 라인(La)의 단위 길이당의 날개 전향각 Δβ와, 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb)의 단위 길이당의 날개 전향각 Δβ는 거의 동일한 정도로 되어 있다. 또한, 날개 전향각 Δβ란, 날개 각도 β의 변화량이며, 종래의 터빈 동익(101)에 있어서, 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb)에 있어서의 날개 전향각 Δβ는 거의 40°로 되어 있다.
한편, 도 5의 그래프를 보면, 제1 실시예의 터빈 동익(21)에서는, 슈라우드 라인(L2)에 있어서, 입구측 슈라우드 라인(La)의 날개 각도 β가 감소 방향으로 작게 변화되고, 중앙 슈라우드 라인(Lb)의 날개 각도 β가 증가 방향으로 크게 변화되고, 출구측 슈라우드 라인(Lc)의 날개 각도 β가 감소 방향으로 작게 변화되고 있다. 즉, 제1 실시예의 터빈 동익(21)의 슈라우드측에 있어서의 날개 각도 β는, 유입구(13)로부터 전향 위치(D1)에 걸쳐서, 회전축(S)에 대해 경사 각도를 감소시키면서 경사져 가고, 전향 위치(D1)로부터 소정 위치(D2)에 걸쳐서, 회전축(S)에 대해 경사 각도를 증가시키면서 경사져 가고, 소정 위치(D2)로부터 유출구(11)에 걸쳐서, 회전축(S)에 대해 경사 각도를 감소시키면서 경사져 간다. 구체적으로, 중앙 슈라우드 라인(Lb)의 단위 길이당의 날개 전향각 Δβ는, 입구측 슈라우드 라인(La) 및 출구측 슈라우드 라인(Lc)의 단위 길이당의 날개 전향각 Δβ에 비해 커지고 있다. 또한, 제1 실시예의 터빈 동익(21)에 있어서, 입구측 슈라우드 라인(La)의 날개 전향각 Δβ는 -2° 정도로 되어 있고, 중앙 슈라우드 라인(Lb)의 날개 전향각 Δβ는 25° 정도로 되어 있고, 출구측 슈라우드 라인(Lc)의 날개 전향각 Δβ는 -10° 정도로 되어 있다.
이상의 구성에 따르면, 제1 실시예의 터빈 로터(6)의 입구측 슈라우드 라인(La)의 날개 각도 β의 변화를, 입구측 슈라우드 라인(La)에 있어서 작게, 중앙 슈라우드 라인(Lb)에 있어서 크게, 출구측 슈라우드 라인(Lc)에 있어서 작게 할 수 있다. 이 결과, 터빈 동익(21)의 부압면(21b)의 슈라우드측에 있어서, 작동 유체의 유속의 증가를 억제할 수 있어, 부압면(21b)에 있어서의 압력의 저하를 억제할 수 있다(상세한 것은 후술). 이로 인해, 터빈 동익(21)의 정압면(21a)과 부압면(21b)의 압력차를 억제할 수 있어, 터빈 동익(21)과 슈라우드(24) 사이의 간극(C)으로부터 작동 유체가 누설되는 것을 억제할 수 있다. 이상에 의해, 작동 유체의 누설에 의한 터빈 효율의 저하를 억제할 수 있다.
<제2 실시예>
다음에 도 6을 참조하여, 제2 실시예에 관한 터빈 로터(30)에 대해서 설명한다. 또한, 중복된 기재를 피하기 위해, 다른 부분에 대해서만 설명한다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 제2 실시예의 터빈 로터(30)는 제1 실시예와 거의 마찬가지로 구성되어 있고, 회전축(S)을 중심으로 회전하는 허브(31)와, 허브(31)의 주위면에 설치되는 동시에 축심으로부터 방사상으로 배치된 복수의 터빈 동익(32)을 갖고 있고, 유입된 작동 유체를 복수의 터빈 동익(32)에 받아서 회전하도록 구성되어 있다.
여기서, 제2 실시예의 터빈 로터(30)는, 그 터빈 동익(32)의 슈라우드 라인(L3)이 제1 실시예의 터빈 동익(21)의 슈라우드 라인(L2)과 다른 형상으로 되어 있다. 이하 도 4 및 도 5를 참조하여, 종래의 터빈 동익(101)의 슈라우드 라인(L1)에 있어서의 날개 각도 β와, 제2 실시예의 터빈 동익(32)의 슈라우드 라인(L3)에 있어서의 날개 각도 β에 대해서 설명한다.
제1 실시예에서 설명한 바와 같이, 슈라우드 라인(L1, L3)은, 유입구(34, 105)측에 있어서의 입구측 슈라우드 라인(La)과, 유출구(35, 106)측에 있어서의 출구측 슈라우드 라인(Lc)과, 입구측 슈라우드 라인(La) 및 출구측 슈라우드 라인(Lc) 사이의 중앙 슈라우드 라인(Lb)으로 구성되어 있다. 그리고, 입구측 슈라우드 라인(La)의 길이는 슈라우드 라인(L1, L3)의 길이의 2할 정도로 되어 있고, 중앙 슈라우드 라인(Lb)의 길이는 슈라우드 라인(L1, L3)의 길이의 6할 정도로 되어 있고, 출구측 슈라우드 라인(Lc)의 길이는 슈라우드 라인(L1, L3)의 길이의 2할 정도로 되어 있다.
여기서 도 5의 그래프를 보면, 제2 실시예의 터빈 동익(32)에서는, 슈라우드 라인(L3)에 있어서, 입구측 슈라우드 라인(La)의 날개 각도 β는 증가 방향으로 크게 변화되고, 중앙 슈라우드 라인(Lb) 및 출구측 슈라우드 라인(Lc)의 날개 각도 β는 증가 방향으로 작게 변화된다. 즉, 제2 실시예의 터빈 동익(32)의 슈라우드측에 있어서의 날개 각도 β는, 유입구(34)로부터 전향 위치(D1)에 걸쳐서, 회전축(S)에 대해 경사 각도를 크게 증가시키면서 경사져 가고, 전향 위치(D1)로부터 소정 위치(D2)를 통해 유출구(11)에 걸쳐서, 회전축(S)에 대해 경사 각도를 작게 증가시키면서 경사져 간다. 구체적으로, 입구측 슈라우드 라인(La)의 단위 길이당의 날개 전향각 Δβ는 중앙 슈라우드 라인(Lb) 및 출구측 슈라우드 라인(Lc)의 단위 길이당의 날개 전향각 Δβ에 비해 커지고 있다. 또한, 제2 실시예의 터빈 동익(32)에 있어서, 입구측 슈라우드 라인(La)의 날개 전향각 Δβ는 18° 정도로 되어 있고, 중앙 슈라우드 라인(Lb) 및 출구측 슈라우드 라인(Lc)의 날개 전향각 Δβ는 20° 정도로 되어 있다. 따라서, 제2 실시예의 터빈 동익(32)에 있어서, 입구측 슈라우드 라인(La)이 제1 슈라우드 라인에 상당하고, 중앙 슈라우드 라인(Lb) 및 출구측 슈라우드 라인(Lc)이 제2 슈라우드 라인에 상당하다.
다음에 도 7 및 도 8을 참조하여, 상기와 같이 구성한 종래의 터빈 로터(100)를 구비한 래디얼 터빈의 성능과, 제2 실시예의 터빈 로터(30)를 구비한 래디얼 터빈의 성능에 대해서 비교한다. 도 7에서는, 종래의 터빈 로터(100)에 있어서, 작동 유체가 흐르는 유로(R)를 회전축(S)의 축 방향을 직교하는 절단면으로 잘랐을 때의 터빈 효율의 분포도를, 작동 유체의 흐름 방향을 따라서 4개 도시하고 있다. 이 4개의 터빈 효율의 분포도는, 도시 좌측으로부터 첫번째가 유입구(105)에 있어서의 터빈 효율의 제1 분포도(W1)로 되어 있고, 도시 좌측으로부터 세번째가 유출구(106)에 있어서의 터빈 효율의 제3 분포도(W3)로 되어 있다. 그리고, 도시 좌측으로부터 두번째가 유입구(105)와 유출구(106) 사이의 터빈 효율의 제2 분포도(W2)로 되어 있고, 도시 좌측으로부터 네번째가 날개를 나온 후의 최하류측의 제4 분포도(W4)로 되어 있다.
제1 분포도(W1)를 보면, 터빈 효율은, 부압면(101b)의 슈라우드측에 있어서, 효율이 낮은 저효율 영역(E1)이 형성되어 있고, 제2 분포도(W2)에 있어서, 터빈 효율은 부압면(101b)의 슈라우드측에 있어서, 제1 분포도(W1)에 비해 저효율 영역(E1)이 확대하여 형성되어 있다. 또한, 제3 분포도(W3)에 있어서, 터빈 효율은 정압면(101a)의 슈라우드측에 있어서도, 저효율 영역(E1)이 형성되고, 제4 분포도(W4)에 있어서, 터빈 효율은 정압면(101a)과 부압면(101b) 사이의 슈라우드측에 있어서, 저효율 영역(E1)보다도 효율이 좋은 중효율 영역(E2)이 형성된다.
한편 도 8에서는, 제2 실시예의 터빈 로터(30)에 있어서, 작동 유체가 흐르는 유로(R)를, 회전축(S)의 축 방향을 직교하는 절단면으로 잘랐을 때의 터빈 효율의 분포도를, 작동 유체의 흐름 방향을 따라서 4개 도시하고 있다. 도 8도 도 7과 마찬가지로, 도시 좌측으로부터 첫번째가 유입구(13)에 있어서의 터빈 효율의 제1 분포도(W1)로 되어 있고, 도시 좌측으로부터 세번째가 유출구(11)에 있어서의 터빈 효율의 제3 분포도(W3)로 되어 있다. 그리고, 도시 좌측으로부터 두번째가 유입구(34)와 유출구(35) 사이의 터빈 효율의 제2 분포도(W2)로 되어 있고, 도시 좌측의 네번째가 날개를 나온 후의 최하류측의 제4 분포도(W4)로 되어 있다.
제1 분포도(W1)를 보면, 터빈 효율은 부압면(32b)의 슈라우드측에 있어서, 저효율 영역(E1)이 약간 형성되어 있지만, 도 7에 도시한 종래의 터빈 로터(100)에 비해 작게 되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 제2 분포도(W2)에 있어서, 터빈 효율은 부압면(32b)의 슈라우드측에 있어서, 중효율 영역(E2)이 형성되어 있다. 또한 제3 분포도(W3)에 있어서, 터빈 효율은 정압면(32a)의 슈라우드측에 있어서, 중효율 영역(E2)으로 형성되고, 제4 분포도(W4)에 있어서, 터빈 효율은 그 거의 전체 영역에 있어서, 저효율 영역(E1) 및 중효율 영역(E2)이 형성되어 있지 않고, 중효율 영역(E2)보다도 효율이 좋은 고효율 영역(E3)으로 되어 있다. 이에 의해, 제2 실시예의 터빈 로터(30)는 종래의 터빈 로터(100)에 비해 효율이 좋은 것으로 되어 있는 것을 알 수 있다.
다음에 도 9를 참조하여, 제2 실시예의 터빈 로터(30)의 터빈 동익(32)의 날개 전향각 Δβ에 따라서 변화되는 터빈 효율에 대해서 설명한다. 도 9에 있어서, 종축은 터빈 효율의 손실율 Δη이며, 횡축은 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb, Lc)에 있어서의 날개 전향각 Δβ로 되어 있다. 도 9에 도시하는 바와 같이, 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb, Lc)에 있어서의 날개 전향각 Δβ가 커짐에 따라서, 터빈 효율의 손실은 커져 가는 것을 알 수 있다. 이로 인해, 날개 전향각 Δβ의 각도가 작아지면, 터빈 효율의 손실을 억제할 수 있다.
여기서, 종래의 터빈 로터(100)는 날개 전향각 Δβ가 40°이며, 제2 실시예의 터빈 로터(6)는 날개 전향각 Δβ가 20°이다. 이때, 날개 전향각 Δβ가 30°이면, 터빈 효율의 손실은 종래의 터빈 효율의 손실에 비해 반감시킬 수 있다. 이로 인해, 날개 전향각 Δβ가 30° 이하이면, 래디얼 터빈(1)의 효율 손실을 충분히 억제하는 것이 가능하다.
이상의 구성에 따르면, 제2 실시예의 터빈 로터(30)의 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb, Lc)에 있어서의 단위 길이당의 날개 전향각 Δβ를 종래의 구성에 비해 작게 할 수 있다. 이에 의해, 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb, Lc)에 있어서의 터빈 동익(32)을 거의 직선으로 할 수 있다. 이 결과, 터빈 동익(32)의 부압면(32b)의 슈라우드측에 있어서, 작동 유체의 유속의 증가를 억제할 수 있어, 부압면(32b)에 있어서의 압력의 저하를 억제할 수 있다(상세한 것은 후술). 이로 인해, 터빈 동익(32)의 정압면(32a)과 부압면(32b)의 압력차를 억제할 수 있어, 터빈 동익(32)과 슈라우드(24) 사이의 간극(C)으로부터, 작동 유체가 누설되는 것을 억제할 수 있다. 이상에 의해, 작동 유체의 누설에 의한 터빈 효율의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 슈라우드 라인(L3)의 길이의 2할을 입구측 슈라우드 라인(La)으로 하고, 8할을 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb, Lc)으로 함으로써, 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb, Lc)의 길이를 길게 할 수 있으므로, 터빈 동익(32)의 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb, Lc)을 더욱 직선에 근접시킬 수 있다. 또한, 제2 실시예에서는, 슈라우드 라인(L3)의 길이의 2할을 입구측 슈라우드 라인(La)으로 하고, 8할을 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb, Lc)으로 하였지만, 슈라우드 라인(L3)의 길이의 1할을 입구측 슈라우드 라인(La)으로 하고, 9할을 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb, Lc)으로 해도 된다.
또한, 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb, Lc)에 있어서의 날개 전향각 Δβ를 30° 이하로 함으로써, 종래에 비해 터빈 효율의 손실을 반감 이하로 할 수 있다.
<제3 실시예>
다음에 도 10을 참조하여, 제3 실시예에 관한 터빈 로터(50)에 대해서 설명한다. 또한, 중복된 기재를 피하기 위해, 다른 부분에 대해서만 설명한다. 도 10은 제3 실시예에 관한 터빈 로터(50) 및 종래에 관한 터빈 로터(100)의 터빈 동익(51, 101)의 자오 단면도이다. 제3 실시예의 터빈 로터(50)는, 자오 단면에 있어서, 그 터빈 동익(51)의 입구측 슈라우드 라인(La)이 R 형상으로 형성되고, 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb)이 거의 직선 형상으로 형성되어 있다.
구체적으로 도 10을 참조하면, 그 종축은 직경 방향에 있어서의 길이이며, 횡축은 축 방향에 있어서의 길이이다. 그리고, 종래의 터빈 동익(101)은, 그 슈라우드 라인(L1)이 하향 경사면에 형성되어 있지만, 제3 실시예의 터빈 동익(51)은, 그 슈라우드 라인(L4)에 있어서, 입구측 슈라우드 라인(La)이 작은 곡률 반경으로 형성되는 동시에, 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb, Lc)이 입구측 슈라우드 라인(La)에 비해 큰 곡률 반경으로 형성된다. 이때, 자오 단면에 있어서의 입구측 슈라우드 라인(La)은 슈라우드 라인(L4)의 길이의 2할이며, 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb, Lc)은 슈라우드 라인(L4)의 길이의 8할이다. 이에 의해, 입구측 슈라우드 라인(La)은 R 형상으로 형성되고, 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb, Lc)은 거의 직선 형상으로 형성된다.
이상의 구성에 따르면, 입구측 슈라우드 라인(La)의 곡률 반경을 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb, Lc)의 곡률 반경에 비해 작게 할 수 있다. 이로 인해, 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb, Lc)의 곡률 반경을 크게 할 수 있어, 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb, Lc)을 거의 직선 형상으로 형성할 수 있다. 이에 의해, 터빈 동익(51)의 슈라우드측의 부압면에 있어서, 작동 유체의 유속의 증가를 억제할 수 있다. 이 결과, 터빈 동익(51)의 부압면의 슈라우드측에 있어서, 작동 유체의 유속의 증가를 억제할 수 있어, 부압면에 있어서의 압력의 저하를 억제할 수 있다(상세한 것은 후술). 이로 인해, 터빈 동익(51)의 정압면과 부압면의 압력차를 억제할 수 있어, 터빈 동익(51)과 슈라우드(24) 사이의 간극으로부터 작동 유체가 누설되는 것을 억제할 수 있다. 이상에 의해, 작동 유체의 누설에 의한 터빈 효율의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 제3 실시예의 구성은 제1 실시예 또는 제2 실시예의 구성과 조합해도 좋고, 이에 의해 터빈 효율의 저하를 적절하게 억제할 수 있다.
<제4 실시예>
마지막으로, 도 11 내지 도 16을 참조하여, 제4 실시예에 관한 터빈 로터(70)에 대해서 설명한다. 또한, 이 경우도 중복된 기재를 피하기 위해, 다른 부분에 대해서만 설명한다. 도 11은 제4 실시예에 관한 터빈 로터(70)의 일부를 도시하는 외관 사시도이며, 도 12는 종래에 관한 터빈 로터(100)의 일부를 도시하는 외관 사시도이다. 또한, 도 13은 제4 실시예의 터빈 동익(71)의 구성을 제2 실시예의 터빈 동익(32)에 적용한 경우의 주위 방향(θ 방향)에 있어서의 터빈 동익의 날개 각도 θ의 분포에 관한 그래프이다. 마찬가지로, 도 14는 제4 실시예의 터빈 동익(71)의 구성을 제1 실시예의 터빈 동익(21)에 적용한 경우의 주위 방향(θ 방향)에 있어서의 터빈 동익의 날개 각도 θ의 분포에 관한 그래프이다. 또한, 도 15는 종래의 터빈 로터의 유로 내에 있어서의 작동 유체의 유선을 나타낸 자오 단면도이며, 도 16은 제4 실시예의 터빈 로터(70)의 유로 내에 있어서의 작동 유체의 유선을 나타낸 자오 단면도이다. 제4 실시예의 터빈 로터(70)는, 그 터빈 동익(71)의 유입구측 테두리부를 따른 라인인 유입구 라인(I2)이 회전축(S)에 대해 회전 방향으로 기울어져 있다.
구체적으로 도 12에 도시하는 바와 같이, 종래의 유입구 라인(I1)은 회전축(S)과 거의 동일 방향으로 되도록 형성되어 있다. 즉, 도 13에 도시하는 바와 같이, 슈라우드 라인(L1)의 유입구(105)측의 주위 방향에 있어서의 각도(날개 각도 θ)와, 허브 라인(H1)의 유입구(105)측의 주위 방향에 있어서의 각도(날개 각도 θ)가 서로 동일한 각도로 되어 있고, 주위 방향에 있어서 동일 위상으로 되어 있다. 이에 의해, 허브 라인(H1)의 유입구(105)로부터 슈라우드 라인(L1)의 유입구(105)에 이르는 종래의 유입구 라인(I1)은, 주위 방향으로 변위하지 않기 때문에, 회전축(S)과 거의 동일 방향으로 되어 있다.
한편, 제4 실시예의 터빈 동익(71)의 구성을 적용한 제2 실시예의 터빈 동익(32)의 유입구 라인(I2)은, 도 13 및 도 14에 도시하는 바와 같이, 제2 실시예의 슈라우드 라인(L3)의 유입구측의 주위 방향에 있어서의 날개 각도 θ와, 허브 라인(H3)의 유입구측의 주위 방향에 있어서의 날개 각도 θ의 각도차가 20° 내지 22° 정도로 되어 있고, 주위 방향에 있어서 다른 위상으로 되어 있다. 이로 인해, 허브 라인(H3)의 유입구(34)로부터 슈라우드 라인(L3)의 유입구(34)에 이르는 제3 실시예의 유입구 라인(I2)은 주위 방향(회전 방향)으로 변위하고, 이에 의해 유입구 라인(I2)은 회전축(S)에 대해 회전 방향으로 기울어져 있다.
그리고, 제4 실시예의 터빈 동익(71)의 구성을 적용한 제1 실시예의 터빈 동익(21)의 유입구 라인(I2)은, 도 14에 도시하는 바와 같이, 제1 실시예의 슈라우드 라인(L2)의 유입구측의 주위 방향에 있어서의 날개 각도 θ와, 허브 라인(H2)의 유입구측의 주위 방향에 있어서의 날개 각도 θ의 각도차가 12° 정도로 되어 있고, 주위 방향에 있어서 다른 위상으로 되어 있다. 이로 인해, 허브 라인(H2)의 유입구(13)로부터 슈라우드 라인(L2)의 유입구(11)에 이르는 제1 실시예의 유입구 라인(I2)은 주위 방향(회전 방향)으로 변위하고, 이에 의해 유입구 라인(I2)은 회전축(S)에 대해 회전 방향으로 기울어져 있다.
다음에 도 15 및 도 16을 참조하여, 상기 종래의 터빈 로터(100)의 유로(R) 내를 흐르는 작동 유체의 흐름과, 상기 제4 실시예의 터빈 동익(71)의 구성을 적용한 제2 실시예의 터빈 로터(30)의 유로(R) 내를 흐르는 작동 유체의 흐름에 대해서 비교한다.
도 15를 보면, 종래의 터빈 로터(100)에 있어서, 유입구(105)로부터 작동 유체가 유입되면, 유입구(105)의 슈라우드측으로부터 유입된 작동 유체는 슈라우드 라인(L1)을 따라서 흐른다. 한편, 유입구(105)의 허브측으로부터 유입된 작동 유체는 허브 라인(H1)을 따르지 않고, 슈라우드측을 향하여 흐른다. 이로 인해, 유로(R) 내를 흐르는 작동 유체는 유출구(106)의 슈라우드측에 집중한다. 이에 의해, 슈라우드측의 유출구(106)에 있어서, 슈라우드(24)와 터빈 동익(101) 사이의 간극(C)으로부터 작동 유체가 누설되기 쉽다.
한편 도 16을 보면, 제4 실시예의 터빈 동익(71)의 구성을 적용한 제2 실시예의 터빈 로터(32)에 있어서, 유입구(34)로부터 작동 유체가 유입되면, 유입구(34)의 슈라우드측으로부터 유입된 작동 유체는 슈라우드 라인(L3)을 따라서 흐른다. 한편, 유입구(34)의 허브측으로부터 유입된 작동 유체는 상류측의 허브 라인(H3)을 따라서 흐른 후, 슈라우드측을 향하여 흐른다. 이로 인해, 유로(R) 내를 흐르는 작동 유체는, 유출구(35)의 슈라우드측을 향하여 흐르지만, 유입구(34)의 허브측으로부터 유입된 작동 유체가 상류측의 허브 라인(H3)을 따라서 흐른 만큼, 종래에 비해 유출구(35)의 슈라우드측에의 작동 유체의 집중을 억제할 수 있다.
이상의 구성에 따르면, 유입구(34)로부터 유입되는 작동 유체를 허브측으로 향하게 할 수 있다. 이로 인해, 작동 유체가 슈라우드측을 향하여, 터빈 동익(32)과 슈라우드(24) 사이의 간극(C)으로 흐르는 것을 억제할 수 있어, 이에 의해 간극(C)으로부터 작동 유체가 누설되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 제4 실시예에서는, 슈라우드 라인(L2, L3)의 유입구(13, 34)측의 주위 방향에 있어서의 날개 각도 θ와, 허브 라인(H2, H3)의 유입구(13, 34)측의 주위 방향에 있어서의 날개 각도 θ의 각도차를 12° 및 20°로 하였지만, 10° 내지 25°의 사이이면, 작동 유체의 누설을 적절하게 억제할 수 있다.
다음에 도 17 내지 도 20을 참조하여, 제1 실시예에 제4 실시예를 조합한 터빈 로터(6)와, 제2 실시예에 제3 실시예 및 제4 실시예를 조합한 터빈 로터(30)를 각각 적용한 래디얼 터빈의 성능에 대해서 설명한다. 또한, 이들의 터빈 로터에 대해서 도시는 생략한다.
우선, 제1 실시예에 제4 실시예를 조합한 터빈 로터(6)는 중앙 슈라우드 라인(Lb)의 날개 각도 β의 변화가 입구측 슈라우드 라인(La) 및 출구측 슈라우드 라인(Lc)의 날개 각도 β의 변화에 비해 커지고 있고, 또한 슈라우드 라인(L2)의 유입구측의 날개 각도 θ와, 허브 라인(H2)의 유입구측의 날개 각도 θ의 각도차가 12° 정도로 되어 있다. 여기서, 도 17은 종래 및 제1 실시예에 관한 터빈 동익의 슈라우드측에 있어서의 정압면과 부압면의 유속 변화를 나타내는 그래프이며, 도 18은 종래 및 제1 실시예에 관한 터빈 동익의 슈라우드측에 있어서의 정압면과 부압면의 압력 변화를 나타내는 그래프이다.
도 17은, 그 종축이 작동 유체의 유속으로 되어 있고, 그 횡축이 자오 단면에 있어서의 작동 유체의 유로의 유입구로부터 유출구까지의 거리로 되어 있다. 도 17을 보면, M1a가 종래의 터빈 로터(100)의 터빈 동익(101)의 슈라우드측에 있어서의 부압면(101b)의 유속 변화의 그래프이며, M2a가 제1 실시예에 제4 실시예를 조합한 터빈 로터(6)의 터빈 동익(21)의 슈라우드측에 있어서의 부압면(21b)의 유속 변화의 그래프이다. 또한, M3a가 종래의 터빈 로터(100)의 터빈 동익(101)의 슈라우드측에 있어서의 정압면(101a)의 유속 변화의 그래프이며, M4a가 제1 실시예에 제4 실시예를 조합한 터빈 로터(6)의 터빈 동익(21)의 슈라우드측에 있어서의 정압면(21a)의 유속 변화의 그래프이다.
여기서, M3a 및 M4a는 그 유속의 변화가 서로 거의 마찬가지의 변화로 되어 있는 것에 대해, M1a 및 M2a는 그 유속의 변화가 상이하고 있다. 구체적으로, M1a는 그 중간 정도에 있어서 유속의 변화가 커지는 한편, M2a는 그 중간 정도에 있어서, 유속의 변화가 M1a에 비해 작아지는 것을 알 수 있다.
도 18은, 그 종축이 작동 유체의 압력으로 되어 있고, 그 횡축이 자오 단면에 있어서의 작동 유체의 유로(R)의 유입구로부터 유출구까지의 거리로 되어 있다. 도 18을 보면, P1a가 종래의 터빈 로터(100)의 터빈 동익(101)의 슈라우드측에 있어서의 부압면(101b)의 압력 변화의 그래프이며, P2a가 제1 실시예에 제4 실시예를 조합한 터빈 로터(6)의 터빈 동익(21)의 슈라우드측에 있어서의 부압면(21b)의 압력 변화의 그래프이다. 또한, P3a가 종래의 터빈 로터(100)의 터빈 동익(101)의 슈라우드측에 있어서의 정압면(101a)의 압력 변화의 그래프이며, P4a가 제1 실시예에 제4 실시예를 조합한 터빈 로터(6)의 터빈 동익(21)의 슈라우드측에 있어서의 정압면(21a)의 압력 변화의 그래프이다.
여기서, P3a 및 P4a는 그 압력의 변화가 서로 거의 마찬가지의 변화로 되어 있는 것에 대해, P1a 및 P2a는 그 압력의 변화가 상이하고 있다. 구체적으로, P1a는 그 중간 정도에 있어서 압력이 작아지는 한편, P2a는 그 중간 정도에 있어서, 압력이 P1a에 비해 커지고 있다. 이에 의해, P4a와 P2a의 압력차는 P3a와 P1a의 압력차에 비해 작아지는 것을 알 수 있다.
다음에, 제2 실시예에 제3 실시예 및 제4 실시예를 조합한 터빈 로터(30)는, 입구측 슈라우드 라인(La)의 날개 각도 β의 변화가 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb, Lc)의 날개 각도 β의 변화에 비해 커지고 있고, 또한 자오 단면에 있어서, 터빈 동익의 입구측 슈라우드 라인(La)이 R 형상으로 형성되고, 터빈 동익의 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인(Lb, Lc)이 거의 직선 형상으로 형성되어 있다. 또한, 슈라우드 라인(L3)의 유입구측의 날개 각도 θ와, 허브 라인(H3)의 유입구측의 날개 각도 θ의 각도차가 20° 정도로 되어 있다. 여기서, 도 19는 종래 및 제2 실시예에 관한 터빈 동익의 슈라우드측에 있어서의 정압면과 부압면의 유속 변화를 나타내는 그래프이며, 도 20은 종래 및 제2 실시예에 관한 터빈 동익의 슈라우드측에 있어서의 정압면과 부압면의 압력 변화를 나타내는 그래프이다.
도 19는, 그 종축이 작동 유체의 유속으로 되어 있고, 그 횡축이 자오 단면에 있어서의 작동 유체의 유로(R)의 유입구로부터 유출구까지의 거리로 되어 있다. 도 19를 보면, M1b가 종래의 터빈 로터(100)의 터빈 동익(101)의 슈라우드측에 있어서의 부압면(101b)의 유속 변화의 그래프이며, M2b가 제2 실시예에 제3 실시예 및 제4 실시예를 조합한 터빈 로터(30)의 터빈 동익(32)의 슈라우드측에 있어서의 부압면(32b)의 유속 변화의 그래프이다. 또한, M3b가 종래의 터빈 로터(100)의 터빈 동익(101)의 슈라우드측에 있어서의 정압면(101a)의 유속 변화의 그래프이며, M4b가 제2 실시예에 제3 실시예 및 제4 실시예를 조합한 터빈 로터(30)의 터빈 동익(32)의 슈라우드측에 있어서의 정압면(32a)의 유속 변화의 그래프이다.
여기서, M3b 및 M4b는 그 유속의 변화가 서로 거의 마찬가지의 변화로 되어 있는 것에 대해, M1b 및 M2b는 그 유속의 변화가 상이하고 있다. 구체적으로, M1b는 그 중간 정도에 있어서 유속의 변화가 커지는 한편, M2b는 그 중간 정도에 있어서, 유속의 변화가 M1b에 비해 작아지는 것을 알 수 있다.
도 20은, 그 종축이 작동 유체의 압력으로 되어 있고, 그 횡축이 자오 단면에 있어서의 작동 유체의 유로(R)의 유입구로부터 유출구까지의 거리로 되어 있다. 도 20을 보면, P1b가 종래의 터빈 로터(100)의 터빈 동익(101)의 슈라우드측에 있어서의 부압면(101b)의 압력 변화의 그래프이며, P2b가 제2 실시예에 제3 실시예 및 제4 실시예를 조합한 터빈 로터(30)의 터빈 동익(32)의 슈라우드측에 있어서의 부압면(32b)의 압력 변화의 그래프이다. 또한, P3b가 종래의 터빈 로터(100)의 터빈 동익(101)의 슈라우드측에 있어서의 정압면(101a)의 압력 변화의 그래프이며, P4b가 제2 실시예에 제3 실시예 및 제4 실시예를 조합한 터빈 로터(30)의 터빈 동익(32)의 슈라우드측에 있어서의 정압면(32a)의 압력 변화의 그래프이다.
여기서, P3b 및 P4b는 그 압력의 변화가 서로 거의 마찬가지의 변화로 되어 있는 것에 대해, P1b 및 P2b는 그 압력의 변화가 상이하고 있다. 구체적으로, P1b는 그 중간 정도에 있어서 압력이 작아지는 한편, P2b는 그 중간 정도에 있어서, 압력이 P1b에 비해 커지고 있다. 이에 의해, P4b와 P2b의 압력차는 P3b와 P1b의 압력차에 비해 작아지는 것을 알 수 있다.
이상으로부터, 제1 실시예에 제4 실시예를 조합한 터빈 로터(6)는, 그 터빈 동익(21)의 슈라우드측에 있어서의 부압면(21b) 상을 흐르는 작동 유체의 유속의 변화가 종래에 비해 작아지기 때문에, P4a와 P2a의 압력차는 P3a와 P1a의 압력차에 비해 작게 할 수 있다. 마찬가지로, 제2 실시예에 제3 실시예 및 제4 실시예를 조합한 터빈 로터(30)는, 그 터빈 동익(32)의 슈라우드측에 있어서의 부압면(32b) 상을 흐르는 작동 유체의 유속의 변화가 종래에 비해 작아지기 때문에, P4b와 P2b의 압력차는 P3b와 P1b의 압력차에 비해 작게 할 수 있다. 이에 의해, 터빈 동익(21, 32)의 슈라우드측의 부압면(21b, 32b)에 있어서, 작동 유체의 유속의 증가를 억제할 수 있으므로, 슈라우드측의 부압면(21b, 32b)의 압력의 저하를 억제할 수 있어, 터빈 동익(21, 32)과 슈라우드(24) 사이의 간극(C)으로부터 작동 유체가 누설되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 상기와 같이, 제1 실시예 내지 제4 실시예를 적절하게 조합함으로써, 작동 유체의 누설을 적절하게 억제할 수 있다. 또한, 제1 실시예 내지 제4 실시예에서는, 본 발명을 래디얼 터빈에 적용하여 설명하였지만, 사류 터빈이나 축류 터빈에 적용해도 된다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 터빈 로터는 터빈 동익과 슈라우드 사이에 간극이 형성된 터빈 로터에 유용하고, 특히 간극으로부터의 작동 유체의 누설을 억제하여 터빈 효율의 향상을 도모하는 경우에 적합하다.
1 : 래디얼 터빈
5 : 터빈 케이싱
6 : 터빈 로터
11 : 유출구
13 : 유입구
20 : 허브
21 : 터빈 동익
24 : 슈라우드
30 : 터빈 로터(제2 실시예)
32 : 터빈 동익(제2 실시예)
34 : 유입구
35 : 유출구
50 : 터빈 로터(제2 실시예)
51 : 터빈 동익(제2 실시예)
70 : 터빈 로터(제3 실시예)
71 : 터빈 동익(제3 실시예)
75 : 유입구(제3 실시예)
76 : 유출구(제3 실시예)
100 : 터빈 로터(종래)
101 : 터빈 동익(종래)
105 : 유입구(종래)
106 : 유출구(종래)
C : 간극
L1 : 슈라우드 라인(종래)
L2 : 슈라우드 라인(제1 실시예)
L3 : 슈라우드 라인(제2 실시예)
H1 : 허브 라인(종래)
H2 : 허브 라인(제1 실시예)
H3 : 허브 라인(제2 실시예)
La : 입구측 슈라우드 라인
Lb : 중앙 슈라우드 라인
Lc : 출구측 슈라우드 라인
D1 : 전향 위치
D2 : 소정 위치
β : 날개 각도
Δβ : 날개 전향각
θ : 날개 각도
I1 : 유입구 라인(종래)
I2 : 유입구 라인(본 발명)

Claims (11)

  1. 유입구를 통해 직경 방향으로부터 유입된 작동 유체를, 유출구를 통해 축 방향으로 유출시키는 터빈의 터빈 로터에 있어서,
    회전축을 중심으로 회전 가능한 허브와,
    상기 허브의 주위면에 설치되고, 상기 유입구로부터 유입되는 상기 작동 유체를 상기 유출구를 향해 받아 넘기는 복수의 터빈 동익을 구비하고,
    상기 각 터빈 동익은, 상기 허브에 접속된 기단부측이 허브측으로 되어 있고, 자유단부로 되는 선단측이 슈라우드측으로 되어 있고,
    상기 터빈 동익의 슈라우드측 테두리부를 따른 상기 유입구로부터 상기 유출구에 이르는 라인을 슈라우드 라인으로 하고,
    상기 슈라우드 라인은, 상기 회전축에 대한 날개 각도가 상기 유입구로부터 상기 유출구를 향하여 작은 변화로 되는 제1 슈라우드 라인과, 상기 제1 슈라우드 라인의 상기 유출구측에 이어지고, 상기 제1 슈라우드 라인보다도 큰 변화로 되는 제2 슈라우드 라인과, 상기 제2 슈라우드 라인의 상기 유출구측으로부터 상기 유출구까지 이어지고, 상기 제2 슈라우드 라인보다도 작은 변화로 되는 제3 슈라우드 라인으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 로터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제3 슈라우드 라인의 날개 각도의 변화는 감소 방향으로의 변화로 되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 로터.
  3. 유입구를 통해 직경 방향으로부터 유입된 작동 유체를, 유출구를 통해 축 방향으로 유출시키는 터빈의 터빈 로터에 있어서,
    회전축을 중심으로 회전 가능한 허브와,
    상기 허브의 주위면에 설치되고, 상기 유입구로부터 유입되는 상기 작동 유체를 상기 유출구를 향해 받아 넘기는 복수의 터빈 동익을 구비하고,
    상기 각 터빈 동익은,
    상기 허브에 접속된 기단부측이 허브측으로 되어 있고, 자유단부로 되는 선단측이 슈라우드측으로 되어 있고,
    상기 터빈 동익의 슈라우드측 테두리부를 따른 상기 유입구로부터 상기 유출구에 이르는 라인을 슈라우드 라인으로 하고,
    상기 슈라우드 라인은, 상기 회전축에 대한 날개 각도가 상기 유입구로부터 상기 유출구를 향하여 큰 변화로 되는 제1 슈라우드 라인과, 상기 제1 슈라우드 라인의 상기 유출구측으로부터 상기 유출구까지 이어지고, 상기 제1 슈라우드 라인보다도 작은 변화로 되는 제2 슈라우드 라인으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 로터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 슈라우드 라인의 길이는, 상기 슈라우드 라인의 길이의 1 내지 2할의 길이로 되어 있고, 상기 제2 슈라우드 라인의 길이는 상기 슈라우드 라인의 길이로부터 상기 제1 슈라우드 라인의 길이를 뺀, 상기 슈라우드 라인의 길이의 8 내지 9할의 길이로 되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 로터.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제2 슈라우드 라인에 있어서의 상기 날개 각도의 변화량으로 되는 날개 전향각은 30° 이하인 것을 특징으로 하는 터빈 로터.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 슈라우드 라인은, 상기 제1 슈라우드 라인이, 상기 유입구측의 슈라우드 라인으로 되는 입구측 슈라우드 라인이며, 상기 제2 슈라우드 라인이, 상기 입구측 슈라우드 라인의 상기 유출구측으로부터 상기 유출구까지 이어지는 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인이며,
    상기 허브의 회전축을 포함하는 단면으로 되는 자오 단면(meridional cross section)에 있어서, 상기 입구측 슈라우드 라인의 곡률 반경은 상기 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인의 곡률 반경에 비해 작게 되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 로터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 입구측 슈라우드 라인은 R 형상으로 형성되는 한편, 상기 중앙ㆍ출구측 슈라우드 라인은 직선 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 로터.
  8. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 각 터빈 동익의 상기 유입구측 테두리부를 따른 라인인 유입구 라인은 상기 회전축에 대해 회전 방향으로 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 터빈 로터.
  9. 제8항에 있어서, 상기 회전축에 대한 상기 유입구 라인의 경사 각도는 10° 내지 25°인 것을 특징으로 하는 터빈 로터.
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