KR101811223B1

KR101811223B1 - 증기 터빈

Info

Publication number: KR101811223B1
Application number: KR1020140112045A
Authority: KR
Inventors: 다로 노구치; 히로시 사에키; 준이치 도미나가; 신이치로 오하시
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2017-12-21
Also published as: KR20150026896A

Abstract

실시형태의 증기 터빈(10)은, 터빈 로터(22)에 둘레 방향으로 구성된 동익 익렬과, 터빈 로터(22)가 관통 설치된 내부 케이싱(21)과, 내부 케이싱(21)을 포위하는 외부 케이싱(20)과, 내부 케이싱(21)의 내측의 다이어프램 외륜(26)과 다이어프램 내륜(27) 사이에 둘레 방향으로 구성된 정익 익렬과, 최종의 터빈 단락의 하류측에 설치되며, 스팀 가이드(40)와 베어링 콘(50)에 의해 형성되어, 증기를 반경 방향 외측을 향하여 배출하는 환상 디퓨저(60)를 구비한다. 최종의 터빈 단락의 다이어프램 외륜(26a)의 내면(70)의 터빈 로터 축 방향에 대한 확대 경사 각도 θ1은, 스팀 가이드(40)의 입구의 내면(80)의 터빈 로터 축 방향에 대한 확대 경사 각도 θ2 이상이다.

Description

증기 터빈{STEAM TURBINE}

본 발명의 실시형태는 배기실을 구비하는 증기 터빈에 관한 것이다.

화력 발전소 등에서 사용되는 증기 터빈(steam turbine)의 열효율의 향상은, 에너지 자원의 유효 이용이나 이산화탄소(CO₂) 배출량의 삭감으로 이어지는 중요한 과제로 되어 있다. 증기 터빈의 열효율의 향상은, 주어진 에너지를 유효하게 기계 작업으로 변환함으로써 달성할 수 있으며, 그를 위해서는 다양한 내부 손실을 저감하는 것이 필요하다.

증기 터빈의 내부 손실에는, 블레이드의 형상에 기인하는 프로파일(profile) 손실, 증기의 이차 흐름 손실, 증기의 누설 손실, 습증기 손실 등에 의거한 터빈 익렬(翼列) 손실, 증기 밸브나 크로스오버(cross over)관으로 대표되는 익렬 이외의 통로에 있어서의 통로부 손실, 터빈 배기실에 의한 터빈 배기 손실 등이 있다.

이러한 손실 중에서 터빈 배기 손실은 전(全) 내부 손실의 10∼20%를 차지하는 큰 손실이다. 터빈 배기 손실은 터빈 단락의 최종단 출구에서부터 복수기(復水器) 입구까지의 사이에서 발생하는 손실이다. 터빈 배기 손실은 리빙 손실(leaving loss), 후드 손실(hood loss), 환상 면적 제한 손실, 턴업 손실 등으로 더 분류된다. 그 중, 후드 손실은 배기실에서부터 복수기까지의 압력 손실이다. 후드 손실은 디퓨저(diffuser)를 포함한 배기실의 형식, 형상, 사이즈에 의존한다.

일반적으로, 압력 손실은 증기의 유속의 2승에 비례해서 커진다. 그 때문에, 허용되는 범위에서 배기실의 사이즈를 크게 하여 증기의 유속을 저감하는 것이 효과적이다. 그러나, 배기실의 사이즈를 크게 할 때, 제조 비용이나 건물의 배치 스페이스 등으로부터의 제약을 받는다. 후드 손실을 저감시키기 위하여 배기실의 사이즈를 크게 할 때에도 이러한 제약을 받는다. 또한, 후드 손실은 터빈 로터(turbine rotor) 축 방향의 속도인 축류(軸流) 속도, 환언하면 배기실을 통과하는 체적 유량에 의존한다.

후드 손실은 디퓨저를 포함한 배기실의 설계에 의존한다. 저압 터빈의 배기실은 증기 터빈 전체 중에서도 큰 용량을 차지한다. 그 때문에, 후드 손실을 저감시키기 위하여 배기실의 사이즈를 확대하는 것은 증기 터빈 전체의 사이즈나 제조 비용에 큰 영향을 준다. 그래서, 한정된 배기실 사이즈이며 압력 손실이 작은 형상으로 하는 것이 중요해진다.

종래의 하방(下方) 배기형의 배기실을 구비한 복류 배기형(더블 플로우(double flow)형)의 저압 터빈에서는, 최종의 터빈 단락의 동익(動翼)을 통과한 증기는, 스팀 가이드(steam guide)와 베어링 콘(bearing cone)에 의해 구성되는 환상의 디퓨저로 유도된다. 디퓨저로 유도된 증기는 반경 방향 외측을 향하여 방사상으로 유출된다. 방사상으로 유출된 증기는 케이싱 등에 의하여 흐름이 전향되어 증기 터빈의 아래쪽에 설치된 복수기로 유도된다.

이러한 저압 터빈에 있어서, 배기실 내에서의 압력 손실(정압(靜壓) 손실)을 저감하기 위해서는, 환상의 디퓨저에 의해 흐름을 감속시켜 충분히 정압을 회복시키는 것이 중요하다. 그러나, 이러한 저압 터빈에 있어서, 예를 들면 스팀 가이드의 입구에 있어서의 내면의 터빈 로터 축 방향에 대한 경사 각도가 클 경우, 증기는 디퓨저 내의 입구에 가까운 위치에서 박리된다. 이러한 박리는, 디퓨저 내에 있어서 증기의 흐름을 완만하게 전향시킬 수 없을 경우, 구체적으로는 베어링 콘의 터빈 로터 축 방향의 거리가 짧을 경우에 현저히 발생한다.

종래에 있어서는, 최종의 터빈 단락에 있어서의 동익의 선단부(슈라우드(shroud))를 반경 방향 외측으로 급확대하는 형상으로 함으로써, 스팀 가이드에 있어서의 흐름의 박리를 억제하는 시도가 이루어지고 있다. 이러한 것으로서, 일본국 공개 특허 공보 특개2010-216321호 공보(이하, 특허문헌 1이라 함)가 있다.

그러나, 종래의 증기 터빈의 스팀 가이드에 있어서의 흐름의 박리의 억제는 충분치 않다. 그 때문에, 증기 터빈에 있어서 배기실 내에서의 압력 손실을 확실히 저감할 수 있는 기술이 요구되고 있다.

본 발명이 해결하려고 하는 과제는, 배기실에 있어서의 흐름의 박리를 억제하여 압력 손실을 저감할 수 있는 증기 터빈을 제공하는 것이다.

실시형태의 증기 터빈은, 터빈 로터와, 상기 터빈 로터에 둘레 방향으로 복수의 동익을 식설(植設)해서 구성된 동익 익렬과, 상기 동익 익렬을 구비한 터빈 로터가 관통 설치된 내부 케이싱과, 상기 내부 케이싱을 포위하는 외부 케이싱과, 상기 내부 케이싱의 내측에 설치된 다이어프램(diaphragm) 외륜과 다이어프램 내륜 사이에 둘레 방향으로 복수의 정익을 부착해서 구성되며, 상기 동익 익렬과 터빈 로터 축 방향으로 교호(交互)로 배치된 정익 익렬과, 상기 정익 익렬과 상기 정익 익렬의 직하류(直下流)의 상기 동익 익렬에 의하여 구성되는 터빈 단락 중, 최종의 터빈 단락의 하류측에 설치되며, 스팀 가이드와, 상기 스팀 가이드의 내측의 베어링 콘에 의하여 형성되어, 최종의 상기 터빈 단락을 통과한 증기를 반경 방향 외측을 향하여 배출하는 환상 디퓨저를 구비한다.

그리고, 증기 터빈에 있어서, 최종의 상기 터빈 단락의 상기 정익의 외주가 부착된 상기 다이어프램 외륜의 내면의 터빈 로터 축 방향에 대한 확대 경사 각도 θ1은, 상기 스팀 가이드의 입구에 있어서의 내면의 터빈 로터 축 방향에 대한 확대 경사 각도 θ2 이상으로 설정되어 있다.

도 1은 실시형태의 증기 터빈의 연직 방향의 자오 단면을 나타내는 도면.
도 2는 실시형태의 증기 터빈에 있어서의 최종의 터빈 단락 및 환상 디퓨저의 연직 방향의 자오 단면을 확대한 도면.
도 3은 실시형태의 증기 터빈에 있어서의 다른 구성을 구비하는 최종의 터빈 단락 및 환상 디퓨저의 연직 방향의 자오 단면을 확대한 도면.
도 4는 (L/D)와 「θ1-θ2」의 관계로부터 박리 손실, 휨 손실이 발생하는 영역을 구한 결과를 나타내는 도면.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조해서 설명한다.

도 1은 실시형태의 증기 터빈(10)의 연직 방향의 자오 단면을 나타내는 도면이다. 여기에서는, 증기 터빈(10)으로서 하방 배기형의 배기실을 구비한 복류 배기형의 저압 터빈을 예시해서 설명한다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 증기 터빈(10)에 있어서, 외부 케이싱(20) 내에는 내부 케이싱(21)이 구비되어 있다. 내부 케이싱(21) 내에는 터빈 로터(22)가 관통 설치되어 있다. 이 터빈 로터(22)에는 둘레 방향에 걸쳐서 반경 방향 외측으로 돌출하는 로터 디스크(23)가 형성되어 있다. 이 로터 디스크(23)는 터빈 로터 축 방향으로 복수 단 형성되어 있다.

터빈 로터(22)의 로터 디스크(23)에는 둘레 방향으로 복수의 동익(24)이 식설되어 동익 익렬을 구성하고 있다. 이 동익 익렬은 터빈 로터 축 방향으로 복수 단 구비되어 있다. 터빈 로터(22)는 로터 베어링(25)에 의하여 회전 가능하게 지지되어 있다.

내부 케이싱(21)의 내측에는 다이어프램 외륜(26)과 다이어프램 내륜(27)이 설치되어 있다. 다이어프램 외륜(26)과 다이어프램 내륜(27) 사이에는 둘레 방향으로 복수의 정익(28)이 배설(配設)되어 정익 익렬을 구성하고 있다. 이 정익 익렬은 터빈 로터 축 방향으로 동익 익렬과 교호가 되도록 배치되어 있다. 정익 익렬과, 이 정익 익렬의 직하류(直下流)의 동익 익렬에 의해 하나의 터빈 단락을 구성한다.

증기 터빈(10)의 중앙에는 크로스오버관(29)으로부터의 증기가 도입되는 흡기실(30)을 구비하고 있다. 이 흡기실(30)로부터 좌우의 터빈 단락에 증기를 분배해서 도입한다.

최종의 터빈 단락의 하류측에는, 외주측의 스팀 가이드(40)와, 그 내주측의 베어링 콘(50)에 의하여 형성된, 증기를 반경 방향 외측을 향하여 배출하는 환상 디퓨저(60)가 형성되어 있다. 또, 베어링 콘(50)의 내부에는 예를 들면 로터 베어링(25) 등이 구비되어 있다.

환상 디퓨저(60)를 구비한 하방 배기형의 배기실의 아래쪽에는 예를 들면 복수기(도시하지 않음)가 구비된다.

또, 상기한 외부 케이싱(20), 내부 케이싱(21), 스팀 가이드(40), 베어링 콘(50) 등은 상하로 2분할 구조로 구성되어 있다. 예를 들면, 상반측 및 하반측의 스팀 가이드(40)에 의하여 통 형상의 스팀 가이드(40)가 구성된다. 마찬가지로, 상반측 및 하반측의 베어링 콘(50)에 의하여 통 형상의 베어링 콘(50)이 구성된다. 그리고, 통 형상의 스팀 가이드(40)와 그 내측에 설치된 통 형상의 베어링 콘(50)에 의하여 환상 디퓨저(60)가 구성된다. 또, 스팀 가이드(40) 및 베어링 콘(50)에 있어서의 상반측 및 하반측의 구성은 동일하다.

다음으로, 최종의 터빈 단락 및 환상 디퓨저(60)의 구성에 대하여 상세하게 설명한다.

도 2는 실시형태의 증기 터빈(10)에 있어서의 최종의 터빈 단락 및 환상 디퓨저(60)의 연직 방향의 자오 단면을 확대한 도면이다. 또, 도 2에 있어서, 설명의 편의상 최종단의 터빈 단락의 구성부에는 도 1에서 나타낸 구성부의 부호에 「a」를 부가해서 나타내고 있다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 최종의 터빈 단락의 정익(28a)은 다이어프램 외륜(26a)과 다이어프램 내륜(27a) 사이에 부착되어 있다. 정익(28a)의 외주가 부착된 다이어프램 외륜(26a)의 내면(70)은 터빈 로터 축 방향의 하류측으로 감에 따라 반경 방향 외측으로 예를 들면 직선적으로 확대된다. 이 내면(70)은, 터빈 로터 축 방향의 하류측(도 2에서는 오른쪽 방향)으로 감에 따라 반경 방향 외측으로, 터빈 로터 축 방향에 대하여 확대 경사 각도 θ1로 경사져 있다.

정익(28a)의 하류의 동익(24a)의 선단부는 예를 들면 슈라우드(75)가 구비되어 있다. 동익(24a)의 선단부에 슈라우드(75)를 구비함으로써 선단의 진동에 의한 흐름의 불안정성을 억제할 수 있다. 동익(24a) 주위의 다이어프램 외륜(26a)의 내면(110)은 도 2에 나타내는 바와 같이 터빈 로터 축 방향에 예를 들면 거의 수평으로 되어 있다.

또, 동익(24a)의 선단부, 즉 슈라우드(75)는, 다이어프램 외륜(26a)의 내면(110)과의 거리를 일정하게 유지하기 위해, 도 2에 나타내는 단면에 있어서 예를 들면 거의 수평으로 구성되어 있다. 동익(24a)의 선단부를, 내면(110)을 따라 터빈 로터 축 방향에 거의 수평으로 함으로써, 예를 들면 터빈 로터(22)가 터빈 로터 축 방향에의 열연신되었을 경우에 있어서도, 동익(24a)의 선단부와 내면(110) 사이로부터의 누설 증기량의 증가를 억제할 수 있다. 이에 따라, 동익(24a)으로부터 유출되는 증기의 흐름을 안정하게 해서 환상 디퓨저(60)에 도입할 수 있다.

여기에서는, 동익(24a)의 선단부에 슈라우드(75)를 구비한 일례를 나타냈지만, 동익(24a)의 선단부에 슈라우드(75)를 구비하지 않는 구성이어도 된다. 선단부에 슈라우드(75)를 구비하지 않을 경우에는, 동익(24a)의 선단이 도 2에 나타내는 단면에 있어서 예를 들면 거의 수평으로 구성되어 있다.

최종의 터빈 단락의 하류측에는 스팀 가이드(40)와 베어링 콘(50)에 의하여 형성된 환상 디퓨저(60)가 형성되어 있다.

베어링 콘(50)은, 터빈 로터 축 방향의 하류측으로 감에 따라 반경 방향 외측으로 확개(擴開)되는 확대 통 형상으로 구성되어 있다. 베어링 콘(50)의 상류단은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 회동하는 로터 디스크(23a)에 접하지 않을 정도로, 로터 디스크(23a)의 하류측 단면 중의 반경 방향 외측 부분에 인접해 있다. 베어링 콘(50)의 하류단은 외부 케이싱(20)의 터빈 로터 축 방향의 하류측의 측벽(90)의 내벽면(91)에 접해 있다.

여기에서는, 베어링 콘(50)이 터빈 로터 축 방향의 하류측으로 감에 따라 만곡하면서 확대되는 일례를 나타내고 있다. 또, 베어링 콘(50)은, 예를 들면 터빈 로터 축 방향의 하류측으로 감에 따라 반경 방향 외측으로, 직선적으로 확대되는 부분 및 만곡하면서 확대되는 부분을 구비한 구성으로 해도 된다. 또한, 베어링 콘(50)은, 예를 들면 터빈 로터 축 방향의 하류측으로 감에 따라 반경 방향 외측으로, 직선적으로 확대되는 부분을 복수 구비한 구성으로 해도 된다.

스팀 가이드(40)는 터빈 로터 축 방향의 하류측으로 감에 따라 반경 방향 외측으로 확개되는 확대 통 형상으로 구성되어 있다. 스팀 가이드(40)의 상류단은 도 2에 나타내는 바와 같이 다이어프램 외륜(26a)의 하류측 단면 중의 반경 방향 내측 부분에 접해 있다. 스팀 가이드(40)의 상류부는 예를 들면 터빈 로터 축 방향의 하류측으로 감에 따라 반경 방향 외측으로 직선적으로 확대되고, 하류부는 터빈 로터 축 방향의 하류측으로 감에 따라 반경 방향 외측으로 만곡하면서 확대된다. 또, 스팀 가이드(40)의 형상은 이것에 한정되지 않는다. 스팀 가이드(40)는, 예를 들면 상류단으로부터 하류단에 있어서, 터빈 로터 축 방향의 하류측으로 감에 따라 반경 방향 외측으로 만곡하면서 확대되는 나팔(trumpet or bugle) 형상으로 구성되어도 된다.

스팀 가이드(40)의 입구에 있어서의 내면(80)은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 터빈 로터 축 방향의 하류측으로 감에 따라 반경 방향 외측으로, 터빈 로터 축 방향에 대하여 확대 경사 각도 θ2로 경사져 있다. 또, 스팀 가이드(40)가, 상류단으로부터 하류단에 있어서, 터빈 로터 축 방향의 하류측으로 감에 따라 반경 방향 외측으로 만곡하면서 확대될 경우에는, 확대 경사 각도 θ2는, 도 2에 나타낸 단면에 있어서, 스팀 가이드(40)의 내면(80)의 상류단에 있어서의 접선과 터빈 로터 축 방향이 이루는 각으로 정의된다.

여기에서, 확대 경사 각도 θ1은 확대 경사 각도 θ2 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이렇게 확대 경사 각도 θ1, θ2를 설정함으로써, 최종의 터빈 단락을 유출한 증기는 스팀 가이드(40)의 입구에 있어서의 내면(80)을 따라 흐른다. 이에 따라, 스팀 가이드(40)의 내면(80)에 발생하는 흐름의 박리를 방지할 수 있다. 그리고, 환상 디퓨저(60)에 있어서의 디퓨저 성능의 저감을 억제할 수 있다.

동익(24a)의 근원인 최하류단(100)에서부터 베어링 콘(50)의 하류단이 접하는 측벽(90)의 내벽면(91)까지의 거리를 L로 하고, 동익(24a)의 최외경을 D로 한다. 여기에서, 최외경 D는, 동익(24a)이 회전할 때 동익(24a)의 블레이드 선단이 그리는 원의 직경과 같다. 또, 동익(24a)이 슈라우드(75)를 구비할 경우에는, 최외경 D는 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이 슈라우드(75)를 포함한 최외경이다. 디퓨저 성능을 확보하기 위하여, 예를 들면 거리 L과 최외경 D의 비(L/D)에 따라서 확대 경사 각도 θ1, θ2를 설정하는 것이 바람직하다.

여기에서, L/D는 0.2 이상 0.6 이하로 설정하는 것이 바람직하다. L/D가 0.2를 하회할 경우에는, 「확대 경사 각도 θ1-확대 경사 각도 θ2」가 0도 이상에 있어서, 스팀 가이드(40)의 내면(80)에 발생하는 흐름의 박리에 의한 압력 손실(이하, 박리 손실이라 함)이 발생한다. 한편, L/D가 0.6을 초과할 경우에는 배기실의 사이즈가 증대한다.

(L/D)가 0.2 이상 0.6 이하인 범위에 있어서 다음의 관계식(1)을 만족시키는 것이 바람직하다.

0≤확대 경사 각도 θ1-확대 경사 각도 θ2≤40(L/D)-4…식(1)

또, 상기 관계식의 단위는 도(度)이다.

「확대 경사 각도 θ1-확대 경사 각도 θ2」가 0도를 하회하면 박리 손실이 발생한다. 한편, 「확대 경사 각도 θ1-확대 경사 각도 θ2」가 「40(L/D)-4」를 초과하면, 환상 디퓨저(60)의 반경 방향 외측에의 휘어짐에 의한 압력 손실(이하, 휨 손실이라 함)이 발생한다.

상기한 바와 같이, (L/D)에 따라서 확대 경사 각도 θ1, θ2를 상기한 식(1)을 만족시키도록 설정함으로써, 박리 손실 및 휨 손실을 방지할 수 있다. 이에 따라, 환상 디퓨저(60)에 있어서의 디퓨저 성능의 저감을 억제할 수 있다.

여기에서, 증기 터빈(10)의 동작에 대하여 도 1 및 도 2를 참조해서 설명한다.

크로스오버관(29)을 거쳐 증기 터빈(10) 내의 흡기실(30)로 유입된 증기는 좌우의 터빈 단락으로 분기해서 흐른다. 그리고, 각 터빈 단락의 정익(28), 동익(24)을 구비하는 증기 유로를 팽창 작업을 하면서 통과하여 터빈 로터(22)를 회전시킨다. 최종의 터빈 단락을 통과한 증기는 환상 디퓨저(60) 내로 유입된다.

여기에서, 다이어프램 외륜(26a)의 내면(70)을 따라 흘러온 증기는, 환상 디퓨저(60)의 입구에 있어서도, 내면(70)의 확대 경사 각도 θ1을 갖고 흐르고 있다. 그 때문에, 최종의 터빈 단락을 통과한 증기가 환상 디퓨저(60) 내로 유입될 때, 증기는 박리되지 않고 스팀 가이드(40)의 내면(80)을 따라 흐른다. 그리고, 이 흐름은 환상 디퓨저(60)에 의하여 감속된다.

또한, 환상 디퓨저(60) 내의 휨 유로를 증기가 흐를 때에도, 증기는 휨 손실을 발생시키지 않고 흐른다. 그 때문에, 환상 디퓨저(60)에 있어서 정압이 충분히 회복된다.

환상 디퓨저(60)의 출구에 있어서 증기는 반경 방향 외측으로 유출된다. 반경 방향 외측으로 유출된 증기는 흐름이 아래쪽으로 전향된다. 그리고, 전향된 증기는 예를 들면 터빈 로터(22)의 아래쪽에 설치된 복수기(도시하지 않음)로 유도된다.

또, 여기에서는, 터빈 로터(22)의 아래쪽에 복수기(도시하지 않음)가 설치된 일례를 나타냈지만, 복수기는, 예를 들면 터빈 로터 축 방향에 수직이며 또한 수평한 방향의 증기 터빈(10)의 측부 측에 구비되어도 된다. 환언하면, 증기 터빈(10)은 하방 배기형에 한하지 않으며 측방 배기형이어도 된다.

상기한 바와 같이, 실시형태의 증기 터빈(10)에 따르면, 거리 L과 동익(24a)의 최외경 D의 비(L/D)에 따라서 확대 경사 각도 θ1, θ2를 설정함으로써, 배기실의 환상 디퓨저(60)에 있어서의 박리 손실 및 휨 손실을 억제할 수 있다. 이에 따라, 배기실에 있어서의 압력 손실을 저감할 수 있다.

또, 실시형태의 증기 터빈(10)은 상기한 구성에 한하는 것은 아니다. 도 3은 실시형태의 증기 터빈(10)에 있어서의, 다른 구성을 구비하는 최종의 터빈 단락 및 환상 디퓨저(60)의 연직 방향의 자오 단면을 확대한 도면이다. 또, 도 3에 있어서, 설명의 편의상 최종단의 터빈 단락의 구성부에는 도 1에서 나타낸 구성부의 부호에 「a」를 부가해서 나타내고 있다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 최종단의 터빈 단락에 있어서의 동익(24a) 주위의 다이어프램 외륜(26a)의 내면(110)을, 터빈 로터 축 방향의 하류측으로 감에 따라 반경 방향 외측으로, 예를 들면 직선적으로 확대되도록 구성해도 된다. 이 내면(110)은, 터빈 로터 축 방향의 하류측(도 3에서는 오른쪽 방향)으로 감에 따라 반경 방향 외측으로, 터빈 로터 축 방향에 대하여 확대 경사 각도 θ3으로 경사져 있다.

이 경우, 동익(24a)의 선단부의 슈라우드(75)는, 다이어프램 외륜(26a)의 내면(110)과의 거리를 일정하게 유지하기 위해, 도 3에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 터빈 로터 축 방향의 하류측으로 감에 따라 반경 방향 외측으로, 터빈 로터 축 방향에 대하여 확대 경사 각도 θ3으로 경사지도록 설치된다. 이러한 슈라우드(75)를 구비하는 경우, 동익(24a)의 최외경 D는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 동익(24a)이 회전할 때 슈라우드(75)의 반경 방향의 최선단(75a)이 그리는 원의 직경과 같다. 또, 슈라우드(75)의 반경 방향의 최선단(75a)이란, 도 3에 나타내는 바와 같이, 슈라우드(75)의 가장 하류측에 있어서의 반경 방향 외측의 단부(端部)이다.

여기에서, 확대 경사 각도 θ3은, 거리 L과 동익(24a)의 최외경 D의 비 (L/D)에 따르지 않고, 다음의 식(2)의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다.

0<확대 경사 각도 θ3≤확대 경사 각도 θ1+5…식(2)

또, 상기 관계식의 단위는 도이다.

확대 경사 각도 θ3을 이 범위 내로 설정함으로써, 다이어프램 외륜(26a)의 내면(70)을 따라 흘러온 증기는, 내면(110) 통과 후 내면(70)의 확대 경사 각도 θ1을 갖고 흐른다. 즉, 다이어프램 외륜(26a)의 내면(70)을 따라 흘러온 증기는, 환상 디퓨저(60)의 입구에 있어서도 내면(70)의 확대 경사 각도 θ1을 갖고 흐른다. 그 때문에, 최종의 터빈 단락을 통과한 증기가 환상 디퓨저(60) 내로 유입될 때, 증기는 박리되지 않고 스팀 가이드(40)의 내면(80)을 따라 흐른다. 그리고, 이 흐름은 환상 디퓨저(60)에 의하여 감속된다. 이에 따라, 도 2에 나타낸 구성에 있어서의 작용 효과와 마찬가지의 작용 효과를 얻을 수 있다.

또, 상기한 실시형태에서는, 증기 터빈(10)으로서 하방 배기형의 배기실을 구비한 복류 배기형의 저압 터빈을 예시해서 설명했지만, 본 실시형태는 예를 들면 단류형(單流形)의 저압 터빈에 적용할 수도 있다.

(디퓨저 성능의 평가)

여기에서는, 「거리 L과 동익(24a)의 최외경 D의 비(L/D)」와 「확대 경사 각도 θ1-확대 경사 각도 θ2」의 관계로부터 박리 손실, 휨 손실이 발생하는 조건을 검토했다.

여기에서, 평가하는 증기 터빈의 모델로서 도 2에 나타낸 구성을 채용했다. 즉, 동익(24a) 주위의, 다이어프램 외륜(26a)의 내면(110)을, 도 2에 나타내는 바와 같이 터빈 로터 축 방향에 수평으로 했다.

도 4는 (L/D)와 「θ1-θ2」의 관계로부터 박리 손실, 휨 손실이 발생하는 영역을 구한 결과를 나타내는 도면이다. 또, 도 4는 수치 해석에 의하여 구해진 결과이다.

도 4에 있어서, 직선 L은, 복수의 다른 (L/D)의 조건에 있어서, 「θ1-θ2」를 변화시켰을 때에, 휨 손실이 없어지는 경계의 「θ1-θ2」의 각도를 플로트(plot)해서 근사한 직선이다. 이 직선보다도 위쪽 즉 「θ1-θ2」가 큰 조건에서 휨 손실이 발생한다. 환언하면, 이 직선상 및 직선보다도 아래쪽에서는 휨 손실은 발생하지 않는다. 이 직선 L은 「θ1-θ2=40(L/D)-4」의 관계식으로 표시된다.

직선 M은, 복수의 다른 (L/D)의 조건에 있어서, 「θ1-θ2」를 변화시켰을 때에, 박리 손실이 없어지는 경계의 「θ1-θ2」의 각도를 플로트해서 근사한 직선이다. 이 직선보다도 아래쪽 즉 「θ1-θ2」가 작은 조건에서 박리 손실이 발생한다. 환언하면, 이 직선상 및 직선보다도 위쪽에서는 박리 손실은 발생하지 않는다. 이 직선 M은 「θ1-θ2=0」로 표시된다.

또, (L/D)의 범위는, 전술한 바와 같이 0.2 이상 0.6 이하로 하고, 이 범위에서 박리 손실, 휨 손실이 발생하는 조건을 평가했다. 도 4에 있어서, 박리 손실 및 휨 손실의 쌍방이 발생하지 않는 영역은 사선으로 표시되어 있다.

도 4에 나타내는 바와 같이, (L/D)가 0.2 이상 0.6 이하인 범위에 있어서, 직선 L과 직선 M에 의하여 둘러싸인 범위에서는 박리 손실 및 휨 손실의 쌍방이 발생하지 않는 것을 알 수 있다. 이 범위는 식(1)의 관계를 만족시키는 범위이다.

이렇게, 직선 L과 직선 M에 의하여 둘러싸이는 범위에서는 박리 손실 및 휨 손실이 발생하지 않기 때문에, 우수한 디퓨저 성능을 갖는 환상 디퓨저(60)를 구성할 수 있다.

이상 설명한 실시형태에 따르면, 배기실에 있어서의 흐름의 박리를 억제하여 압력 손실을 저감하는 것이 가능해진다.

본 발명의 몇 가지 실시형태를 설명했지만, 이 실시형태들은 예로서 제시한 것이며 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이 신규인 실시형태들은 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이 실시형태들이나 그 변형은 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.

10 : 증기 터빈 20 : 외부 케이싱
21 : 내부 케이싱 22 : 터빈 로터
23, 23a : 로터 디스크 24, 24a : 동익
25 : 로터 베어링 26, 26a : 다이어프램 외륜
27, 27a : 다이어프램 내륜 28, 28a : 정익
29 : 크로스오버관 30 : 흡기실
40 : 스팀 가이드 50 : 베어링 콘
60 : 환상 디퓨저 70, 80, 110 : 내면
75 : 슈라우드 75a : 최선단
90 : 측벽 91 : 내벽면
100 : 최하류단

Claims

터빈 로터와,
상기 터빈 로터에 둘레 방향으로 복수의 동익(動翼)을 식설(植設)해서 구성된 동익 익렬(翼列)과,
상기 동익 익렬을 구비한 터빈 로터가 관통 설치된 내부 케이싱과,
상기 내부 케이싱을 포위하는 외부 케이싱과,
상기 내부 케이싱의 내측에 설치된 다이어프램 외륜과 다이어프램 내륜 사이에 둘레 방향으로 복수의 정익(靜翼)을 부착해서 구성되며, 상기 동익 익렬과 터빈 로터 축 방향으로 교호(交互)로 배치된 정익 익렬과,
상기 정익 익렬과 상기 정익 익렬의 직하류(直下流)의 상기 동익 익렬에 의하여 구성되는 터빈 단락 중, 최종의 터빈 단락의 하류측에 설치되며, 스팀 가이드와, 상기 스팀 가이드의 내측의 베어링 콘에 의하여 형성되어, 최종의 상기 터빈 단락을 통과한 증기를 반경 방향 외측을 향하여 배출하는 환상(環狀) 디퓨저
를 구비하고,
최종의 상기 터빈 단락의 상기 정익의 외주가 부착된 상기 다이어프램 외륜의 내면의 터빈 로터 축 방향에 대한 확대 경사 각도 θ1이, 상기 스팀 가이드의 입구에 있어서의 내면의 터빈 로터 축 방향에 대한 확대 경사 각도 θ2 이상인 것을 특징으로 하는 증기 터빈.
제1항에 있어서,
최종의 상기 터빈 단락에 있어서의 상기 동익의 근원인 최하류단에서부터 상기 베어링 콘의 하류측의 단부가 접하는 상기 외부 케이싱의 하류측 측벽의 내면까지의 거리 L과, 최종의 상기 터빈 단락에 있어서의 상기 동익의 최외경 D의 비 (L/D)가 0.2 이상 0.6 이하인 범위에 있어서, 다음의 관계식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 증기 터빈.
0≤확대 경사 각도 θ1(도)-확대 경사 각도 θ2(도)≤40(L/D)-4