KR102050186B1

KR102050186B1 - 시일 핀, 시일 구조 및 터보 기계

Info

Publication number: KR102050186B1
Application number: KR1020187015326A
Authority: KR
Inventors: 도요하루 니시카와; 요시히로 구와무라; 히로하루 오야마; 가츠히사 하마다; 히데아키 스기시타
Original assignee: 미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2019-11-28
Also published as: KR20180078283A; CN108368744B; JP2017106544A; US10982719B2; JP6167158B2; WO2017098944A1; CN108368744A; US20180372158A1; DE112016005649T5

Abstract

높은 누설 억제 효과가 얻어지고, 나아가 터보 기계의 누설 손실을 저감할 수 있는, 시일 핀, 시일 구조 및 터보 기계를 제공한다. 서로 간극(Gd)을 두고 직경 방향(R)에 대향하고 정지 상태의 제1 구조체(10)와 축선 주위로 회전하는 제2 구조체(51)의 사이의 간극(Gd)으로부터, 유체(SL)가 누설되는 것을 억제하고, 제1 구조체(10)에, 제2 구조체(51)를 향하여 연장되어, 그 연장 방향의 선단면과 제2 구조체(51)의 사이에 클리어런스(m)를 두고 설치되고, 유체(SL)의 유통 방향에서 상류측을 향하는 전방면에는, 그 상기 연장 방향의 선단에 개구되는 오목부(62)가, 주위 방향을 따라 복수 병설된다.

Description

시일 핀, 시일 구조 및 터보 기계

본 발명은 상대 회전하는 2개의 구조체의 상호간에서의 유체의 누설을 억제하는 시일 핀, 시일 구조 및 터보 기계에 관한 것이다.

증기 터빈, 가스 터빈 및 터보 압축기 등의 터보 기계에 있어서는, 정지측과 회전측의 사이에 생기는 간극으로부터 증기 등의 작동 유체가 누설되면, 이 누설이 터보 기계에 있어서의 효율의 손실(누설 손실)을 야기한다. 이 때문에, 터보 기계에서는, 작동 유체의 누설을 방지하기 위해, 래버린스 시일 등의 비접촉형 시일 구조가 사용되고 있다.

이러한 터보 기계의 비접촉형 시일 구조에 관한 기술로서 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시된 기술이 있다. 이하, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시된 기술을 설명한다. 그 설명에서는, 참고로, 특허문헌 1, 2에서 사용되고 있는 부호에 괄호를 붙여 나타낸다.

특허문헌 1(1페이지, 단락 [0021] 및 도 1, 2 등 참조)에는, 「정지체(11)와 회전체(12)의 사이를 시일하는 시일 장치에 있어서, 정지체(11)로부터 회전체(12)의 표면(12a)을 향하여 돌출 설치되고 선단이 뾰족한 핀(13)과, 회전체(12)의 표면(12a)에 형성된 조면부(17)를 구비한 시일 장치」가 개시되어 있다. 특허문헌 1에 따르면, 조면부(17)에 의해 핀(13)의 주변의 흐름을 교란시킴으로써, 유체(14)의 압력 손실을 증대시켜, 핀(13)과 회전체(12)의 사이로부터 유체(14)가 누설되는 양을 저감할 수 있다고 되어 있다.

특허문헌 2(1페이지, 제3란 제15-30행 및 도 1-5 등 참조)에는, 「정지체와 회전체의 사이를 시일하는 래버린스 시일(28)에 있어서, 규제 링(32)과, 규제 링(32)보다 하류측에 배치된 편향 수단(36)을 구비한 시일 장치」가 개시되어 있다. 규제 링(32)은, 로터리 어셈블리(10)의 플랫폼(30)으로부터 베인(24)의 선단의 시일면(34)을 향하여 돌출 설치되어 있다. 편향 수단(36)은, 규제 링(32)과는 반대로, 시일면(34)으로부터 플랫폼(30)을 향하여 돌출 설치되어 있다.

특허문헌 2에 따르면, 규제 링(32)과 시일면(34)의 사이의 제1 스로틀 개구(38)로부터 누설된 작동 매체가, 편향 수단(36)에 의해 편향되어, 편향 수단(36)과 플랫폼(30)의 사이의 제2 스로틀 개구(40)로부터 더 누설되어 버리는 것을 억제할 수 있다고 되어 있다.

일본 특허 공개 제2008-196522호 공보 미국 특허 제4351532호 명세서

그러나, 특허문헌 1에 개시된 시일 장치에서는, 누설 억제 효과 나아가 터보 기계의 누설 손실 억제 효과가 충분하다고는 할 수 없다. 이것은, 회전체(12)를 향하여 돌출 설치된 핀(13)에 의해, 유체(14)를 직경 방향에 대하여 축류시킴으로써, 누설류, 즉 핀(13)과 회전체(12)의 사이를 축 방향으로 진행하는 유체(14)의 흐름을 약화시켜 누설을 억제하는 것뿐이므로, 누설을 충분히 억제할 수 없기 때문이다.

특허문헌 2에 개시된 시일 장치도, 규제 링(32)이나 편향 수단(36)을 마련하여 제1 스로틀 개구(38) 및 제2 스로틀 개구(40)를 형성함으로써, 유체를 직경 방향에 대하여 축류시키는 것이므로, 마찬가지로 누설을 충분히 억제할 수 없다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 감안하여 창안된 것이며, 높은 누설 억제 효과가 얻어지고, 나아가 터보 기계의 누설 손실을 저감할 수 있는, 시일 핀, 시일 구조 및 터보 기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

(1) 상기 목적을 달성하기 위해, 서로 간극을 두고 직경 방향에 대향하고 정지 상태의 제1 구조체와 축선 주위로 회전하는 제2 구조체의 사이의 상기 간극으로부터, 유체가 누설되는 것을 억제하고, 상기 제1 구조체에, 상기 제2 구조체를 향하여 연장되어, 그 연장 방향의 선단면과 상기 제2 구조체의 사이에 클리어런스를 두고 설치된 시일 핀이며, 상기 유체의 유통 방향에서 상류측을 향하는 전방면에는, 그 상기 연장 방향의 선단에 개구되는 오목부가, 주위 방향을 따라 복수 병설된 것을 특징으로 하고 있다.

(2) 상기 오목부는, 상기 선단에 가까워짐에 따라 상기 주위 방향을 따른 자세로 되는 만곡 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

(3) 상기 만곡 형상은, 상기 선단에 가까워짐에 따라 상기 제2 구조체의 회전 방향을 따른 자세로 되는 형상인 것이 바람직하다.

(4) 상기 오목부는, 상기 직경 방향에 대하여 경사져 형성되는 것이 바람직하다.

(5) 상기 오목부는, 상기 선단을 향하여, 상기 제2 구조체의 회전 방향 하류측으로 경사지는 것이 바람직하다.

(6) 상기 오목부는, 상기 오목부 내를 흐르는 상기 유체의 흐름 방향에 수직으로 되는 횡단면이, 상기 선단에 가까워질수록 작아지는 스로틀 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

(7) 상기 오목부가 형성되어 있지 않은 개소에 있어서의 상기 시일 핀의 상기 축선을 따른 두께 치수를 기준 치수로 하고, 상기 오목부에 있어서의 상기 축선을 따른 깊이 치수가, 상기 기준 치수의 0.8배 이하로 설정되고, 상기 오목부의 상기 직경 방향 외측의 단부에 있어서의 상기 직경 방향과 직교하는 폭 방향의 치수가, 상기 기준 치수의 10배 이하로 설정되고, 상기 오목부의 상기 직경 방향의 높이 치수가, 상기 기준 치수의 20배 이하로 설정되고, 상기 주위 방향에 인접하는 상기 오목부의 상호간 거리가, 상기 기준 치수의 100배 이하로 설정되는 것이 바람직하다.

(8) 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 시일 구조는, 서로 간극을 두고 직경 방향에 대향하고 정지 상태의 제1 구조체와 축선 주위로 회전하는 제2 구조체의 사이의 상기 간극으로부터, 유체가 누설되는 것을 억제하는 시일 구조이며, 상기 제1 구조체에, 상기 제2 구조체를 향하여 연장되어, 그 연장 방향의 선단면과 상기 제2 구조체의 사이에 클리어런스를 두어 설치된 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 시일 핀을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.

(9) 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 터보 기계는 (8)에 기재된 시일 구조를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따르면, 시일 핀의 상류측을 향하는 전방면에는, 시일 핀의 연장 방향의 선단에 개구되는 오목부가, 주위 방향을 따라 복수 설치되어 있고, 이 오목부 내를 흐르는 유체가 스로틀 효과에 의해 가속되는 결과, 유체의 정압이 저하된다. 따라서, 유체의 흐름에 있어서의 시일 핀을 통과하는 방향의 속도 성분이 약해져, 유체의 누설 유량을 저감할 수 있다(높은 누설 억제 효과가 얻어짐).

또한, 오목부를 설치함으로써 시일 핀에 박육부가 형성되므로, 박육부에 의한 누설 억제 효과도 얻어진다.

그리고, 이러한 누설 억제 효과가 높은 시일 핀을 구비함으로써, 터보 기계의 누설 손실을 저감할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 증기 터빈의 전체 구성을 도시하는 모식적인 종단면도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 증기 터빈의 주요부 단면도이며, 도 1의 I부의 확대 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 시일 핀의 구성을 도시하는 모식적인 정면도(상류측에서 본 도면)이다.
도 4A 및 도 4B는, 본 발명의 일 실시 형태로서의 시일 핀의 오목부의 구성을 설명하기 위한 모식도이며, 도 4A는 정면도, 도 4B는 사시도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시 형태로서의 시일 핀의 오목부의 작용 효과를 설명하기 위한 모식적인 정면도이다.
도 6A 및 도 6B는, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 시일 핀의 오목부의 변형예의 구성을 도시하는 모식적인 정면도이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.

본 실시 형태에서는, 본 발명의 시일 핀, 시일 구조 및 터보 기계를 증기 터빈에 적용한 예를 설명한다.

또한, 이하에 나타내는 실시 형태는 어디까지나 예시에 지나지 않으며, 이하의 실시 형태에서 명시하지 않는 다양한 변형이나 기술의 적용을 배제할 의도는 없다. 이하의 실시 형태의 각 구성은, 그것들의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변형하여 실시할 수 있음과 함께, 필요에 따라 취사 선택할 수 있거나, 혹은 적절하게 조합하는 것이 가능하다.

이하의 설명에서는 상류, 하류라고 기재한 경우에는, 특별한 설명이 없는 한, 증기 터빈 내의 증기(S)의 흐름에 대하여 상류, 하류를 의미하는 것으로 한다. 즉, 도 1 및 도 2에 있어서의 좌측을 상류측, 우측을 하류측으로 한다.

또한, 증기 터빈의 축선(CL)을 향하는 방향을 내주측 또는 내측으로 하고, 그 반대측, 축선(CL)으로부터 이격되는 방향을 외주측 또는 외측으로 하여 설명한다.

또한, 본 발명에 있어서의 주위 방향이란, 후술하는 회전축(30)의 회전 방향을 정회전 방향으로 한 경우에 있어서, 정회전 방향과 역회전 방향의 양쪽을 포함하는 방향을 말한다.

[1. 증기 터빈의 전체 구성]

도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태의 증기 터빈(터보 기계)(1)은, 케이싱(제1 구조체)(10)과, 케이싱(10)의 내부에 회전 가능하게 설치되고, 동력을 도시하지 않은 발전기 등의 기계에 전달하는 회전축(30)과, 케이싱(10)에 설치된 정익(40)과, 회전축(30)에 설치된 동익(50)과, 축선(CL)을 중심으로 회전축(30)을 회전 가능하게 지지하는 베어링부(70)를 구비하여 구성되어 있다. 정익(40) 및 동익(50)은 회전축(30)의 직경 방향(R)으로 연장되는 블레이드이다.

케이싱(10)은 정지하고 있는 것에 비해, 동익(50)은 축선(CL)을 중심으로 회전한다. 즉, 케이싱(10)과 동익(50)(후술하는 슈라우드(51)를 포함함)은 서로 상대 회전한다.

증기(유체)(S)는, 도시하지 않은 증기 공급원과 접속된 증기 공급관(20)을 통하여, 케이싱(10)에 형성된 주 유입구(21)로부터 도입되고, 증기 터빈(1)의 하류측에 접속된 증기 배출관(22)으로부터 배출된다.

케이싱(10)의 내부 공간은, 기밀하게 밀봉되어 있음과 함께 증기(S)의 유로로 되어 있다. 이 케이싱(10)의 내벽면에는, 회전축(30)이 삽입 관통되는 링상의 구획판 외륜(11)이 견고하게 고정되어 있다.

베어링부(70)는, 저널 베어링 장치(71) 및 스러스트 베어링 장치(72)를 구비하고 있고, 회전축(30)을 회전 가능하게 지지하고 있다.

정익(40)은, 케이싱(10)으로부터 내주측을 향하여 신장되고, 회전축(30)을 둘러싸도록 방사상으로 다수 배치되는 환상 정익군을 구성하고 있으며, 각각 상술한 구획판 외륜(11)에 보유 지지되어 있다.

이들 복수의 정익(40)으로 이루어지는 환상 정익군은, 회전축(30)의 축 방향(이하, 간단히 축 방향이라고 칭함)(A)으로 간격을 두고 복수 형성되어 있고, 증기(S)의 압력 에너지를 속도 에너지로 변환하여, 속도 에너지가 증가한 증기(S)를 하류측에 인접하는 동익(50)으로 유입시킨다.

동익(50)은, 회전축(30)의 회전축 본체(31)의 외주부에 견고하게 설치되고, 각 환상 정익군의 하류측에 있어서, 방사상으로 다수 배치되어 환상 동익군을 구성하고 있다.

이들 환상 정익군과 환상 동익군은 1조 1단으로 되어 있다. 이 중, 최종단의 동익군에서는, 회전축(30)의 주위 방향(이하, 간단히 주위 방향이라고 칭함)에 인접하는 동익(50)의 선단부끼리 링상의 슈라우드(제2 구조체)(51)에 의해 연결되어 있다. 최종단의 동익군뿐만 아니라 다른 동익군, 나아가 정익군에 대해서도 슈라우드(51)에 의해 연결되도록 하여도 된다.

[2. 시일 구조]

[2-1. 시일 구조의 전체 구조]

도 2에 도시하는 바와 같이, 구획판 외륜(11)의 축 방향 하류측에는, 구획판 외륜(11)으로부터 직경 확대되어 케이싱(10)의 내주면을 저면(이하, 케이싱 저면이라고도 함)(13)으로 하는 원환상의 홈(이하, 환상 홈이라고 칭함)(12)이 형성되어 있다. 환상 홈(12)에는 슈라우드(51)가 수용되고, 케이싱 저면(13)은 슈라우드(51)와 간극(Gd)을 통하여 직경 방향(R)에 대향하고 있다.

증기(S) 중 대부분의 증기(SM)는, 동익(50)으로 유입되고, 그 에너지가 회전 에너지로 변환되며, 이 결과, 회전축(30)에 회전이 부여된다. 한편, 증기(S) 중 일부(예를 들어, 약 수％)의 증기(이하, 누설 증기라고 칭함)(SL)는, 동익(50)으로 유입되지 않고 환상 홈(12)으로 누설된다. 누설 증기(SL)의 에너지는 회전 에너지로 변환되지 않으므로, 누설 증기(SL)는, 증기 터빈(1)의 효율을 저하시키는 누설 손실을 초래한다.

그래서, 케이싱(10)과 동익(50)의 사이의 간극(Gd)에는, 본 발명의 일 실시 형태로서의 시일 구조(스텝형의 래버린스 시일)(2)가 마련되어 있다. 이하, 시일 구조(2)에 대하여 설명한다.

슈라우드(51)는, 축 방향(A)에 있어서의 중앙 부분이 돌출되어 스텝상으로 형성된 스텝부(3)를 구비하고 있다. 구체적으로는, 슈라우드(51)의 직경 방향(R)에서 외주측의 면은, 베이스면(4)과, 베이스면(4)보다 직경 방향(R)에서 외주측으로 돌출되는 스텝면(5)이 형성된 스텝부(3)를 갖고 있다.

케이싱 저면(13)에는, 슈라우드(51)를 향하여 직경 방향(R)에서 내주측으로 각각 연장되는 3개의 시일 핀(6A, 6B, 6C)이 설치되어 있다(도 1에서는 생략). 이하, 시일 핀(6A, 6B, 6C)을 구별하지 않는 경우에는, 시일 핀(6)이라고 표기한다. 시일 핀(6)은, 축선(CL)(도 1 참조)을 중심으로 한 환상의 것이며, 도 2에 도시하는 횡단면 형상(주위 방향에 수직인 단면의 형상)을 전체 주위에 걸쳐 일정하게 갖는다.

상류의 시일 핀(6A)은, 스텝부(3)보다 상류측의 베이스면(4)을 향하여 돌출되고, 중간의 시일 핀(6B)은, 스텝부(3)의 스텝면(5)을 향하여 돌출되고, 하류측의 시일 핀(6C)은, 스텝부(3)보다 하류측의 베이스면(4)을 향하여 돌출되어 있다. 중간의 시일 핀(6B)은, 상류측의 시일 핀(6A) 및 하류측의 시일 핀(6C)보다 직경 방향(R)의 길이가 짧아지도록 형성되어 있다.

이들 시일 핀(6)은, 슈라우드(51)와의 사이에 미소 간극(클리어런스)(m)을 직경 방향(R)으로 형성하고 있다. 이들 미소 간극(m)의 각 치수는, 케이싱(10)이나 동익(50)의 열 신장량이나 동익(50)의 원심 신장량 등을 고려하여, 시일 핀(6)과 동익(50)이 접촉하는 일이 없는 범위에서 설정되어 있다.

간극(Gd)에는, 환상 홈(12), 슈라우드(51) 및 시일 핀(6)에 의해 상류측 캐비티(25)와, 하류측 캐비티(26)가 형성된다. 시일 핀(6)의 축선 방향의 위치는, 이들 캐비티(25, 26) 내에 누설된 누설 증기(SL)의 흐름의 거동에 따라 적절하게 설정된다.

[2-2. 시일 핀]

시일 핀(6)은, 슈라우드(51)의 베이스면(4)이나 스텝면(5)과 대향하는 선단의 구조에 큰 특징이 있다. 이 선단의 구조에 대하여 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 시일 핀(6)은, 케이싱 저면(13)(도 2 참조)으로부터 직경 방향(R)에서 내측을 향하여 연장되는 핀 본체(61)와, 핀 본체(61)의 내주연부(61a)에 복수 형성된 날개 형상의 오목부(62)를 구비하여 구성된다. 이들 오목부(62)는, 핀 본체(61)의 내주단(61b)에 개구되고, 주위 방향을 따라 간격을 두고, 핀 본체(61)의 전체 주위에 걸쳐 복수 설치되어 있다. 환언하면, 핀 본체(61)의 내주연부(61a)는, 축 방향(A)에 관한 두께 치수가 큰 후육부와, 상기 두께 치수가 작은 박육부가 주위 방향으로 교대로 나열되어 형성되어 있다.

또한, 도 3에서는, 오목부(62)를, 폭을 갖지 않는 곡선에 의해 모식적으로 도시하고 있다.

오목부(62)는, 도 4A 및 도 4B에 도시하는 바와 같이, 주위 방향으로 간격을 두고 대면하는 만곡상의 측벽(62a, 62b)과, 이들 측벽(62a, 62b)의 각 외주연을 연결하는 외주벽(62c)과, 직경 방향(R)을 따른 저벽(62d)에 둘러싸여 형성된다. 저벽(62d)은, 측벽(62a, 62b) 및 외주벽(62c)의 각 하류 에지의 상호간으로서 규정된다.

그리고, 오목부(62)는, 핀 본체(61)의 내주단(연장 방향의 선단)(61b)에 가까워짐에 따라 슈라우드(51)의 회전 방향(C)을 따른 자세로 되는 만곡 형상, 또한 상기 내주단(61b)에 가까워짐에 따라 횡단면(상기 오목부(62) 내를 흐르는 누설 증기(SL)의 흐름에 수직으로 되는 단면)이 작아지는 스로틀 형상으로 형성되어 있다.

일반적으로, 시일 핀을 향하여 흘러 오는 누설 증기(SL)는, 시일 핀의 선단(내주단, 이하, 핀 선단이라고도 함)에 가까워짐에 따라 가속하여, 핀 선단에서 최고 속도에 달한다. 본 실시 형태의 시일 핀(6)에서는, 이러한 형상의 오목부(62)를 설치함으로써, 핀 선단에서의 누설 증기(SL)의 흐름을, 오목부(62)에 의해 전향시킴으로써 더 가속하여, 시일 핀(6)의 상류측의 정압을 낮춤으로써, 누설 증기(SL)의 유량(이하, 누설 유량이라고 함)(FL)을 저감하도록 되어 있다.

오목부(62)에 의해 누설 증기(SL)의 흐름을 가속시킬 수 있는 것은, 오목부(62)가 스로틀 형상인 것에 추가하여, 오목부(62)가 만곡 형상이므로, 이 만곡 형상을 따라 흐르는 누설 증기(SL)가, 원심력에 의해 오목부(62) 내에 있어서 만곡 형상 외주측으로 치우쳐 흐르도록 되어, 결과적으로 교축되도록 되기 때문이다.

또한, 도 4A에서는, 핀 본체(61)의 내주단(61b)의 원호 형상을 편의적으로 직선 형상으로 도시하고 있다.

여기서, 오목부(62)의 주된 치수 L1, L2, L3, L4에 대하여 설명한다.

치수 L1은, 오목부(62)를 규정하는 측벽(62a, 62b)의 축 방향(A)에 관한 치수(이하, 깊이 치수라고 함)이다.

치수 L2는, 오목부(62)를 규정하는 외주벽(62c)의 폭 방향(직경 방향(R)에 직교하는 방향)(W)에 관한 치수(이하, 폭 치수라고 함)이다.

치수 L3은, 오목부(62)의 직경 방향(R)에 관한 치수(이하, 높이 치수라고 함)이다. 오목부(62)의 높이 치수란, 상세하게는, 도 4A에 도시하는 정면도(상류측에서 본 도면)에 있어서, 교점(C1)과 교점(C2)의 직경 방향(R)에 관한 거리를 말하며, 교점(C1)은, 저벽(62d)의 폭 방향(W)에 관한 중심선(CLW)과 외주벽(62c)의 교점이고, 교점(C2)는, 중심선(CLW)과 핀 본체(61)의 내주단(61b)의 교점이다.

치수 L4는, 주위 방향에 인접하는 오목부(62)의 외주단에 있어서의 폭 방향(W)에 관한 상호간 거리(즉 오목부(62)를 규정하는 외주벽(62c)의 폭 방향(W)에 관한 상호간 거리)이다.

치수 L1, L2, L3, L4의 바람직한 범위가 해석에 의해 판명되었으며, 각각 핀 본체(61)의 후육부(오목부(62)가 형성되어 있지 않은 부분)에 있어서의 축 방향(A)에 관한 치수(이하, 두께 치수라고 함) L0을 기준 치수로 하여 규정된다. 깊이 치수 L1의 바람직한 범위는, 두께 치수 L0의 0.8배 이하(L1≤0.8×L0), 폭 치수 L2의 바람직한 범위는, 두께 치수 L0의 10배 이하(L2≤10×L0), 높이 치수 L3의 바람직한 범위는, 두께 치수 L0의 20배 이하(L3≤20×L0), 치수 L4의 바람직한 범위는, 두께 치수 L0의 100배 이하(L4≤100×L0)이다.

이것은 이하의 이유에 따른다.

전술한 바와 같이, 시일 핀(6)에서는, 오목부(62)를 설치함으로써, 핀 선단에서의 누설 증기(SL)의 흐름을, 오목부(62)에 의해 전향시킴으로써 가속하여, 시일 핀(6)의 상류측의 정압을 낮춤으로써 누설 유량(FL)을 저감시키도록 하고 있다.

치수 L1이 두께 치수 L0의 0.8배보다 크면(L1>0.8×L0), 오목부(62) 내에 축 방향 공간으로(축 방향(A)에 대하여) 큰 사수(死水) 영역이 발생해 버려, 오목부(62) 내에서의 누설 증기(SL)의 흐름의 전향이 충분하게 이루어지지 않는다. 한편, 치수 L1이 두께 치수 L0의 0.8배 이하이면(L1≤0.8×L0), 오목부(62) 내에 큰 사수 영역이 발생하지 않고, 누설 증기(SL)의 흐름의 전향이 오목부(62) 내에서 효과적으로 행해져, 누설 증기(SL)의 흐름을 효과적으로 가속시킬 수 있는 결과, 핀 상류의 정압을 낮출 수 있다.

치수 L2가 두께 치수 L0의 10배 이하이면(L2≤10×L0), 오목부(62) 내에서의 누설 증기(SL)의 흐름의 전향이 오목부(62) 내에서 효과적으로 행해져, 누설 증기(SL)의 흐름을 효과적으로 가속시킬 수 있는 결과, 시일 핀(6)의 상류측의 정압을 낮출 수 있다. 한편, 치수 L2가 두께 치수 L0의 10배를 초과하면(L2>10×L0), 오목부(62)에 의해 누설 증기(SL)의 흐름이 충분히 전향되지 않는다.

높이 치수 L3이 두께 치수 L0의 20배 이하이면(L3≤20×L0), 오목부(62) 내에서 누설 증기(SL)의 흐름이 급격하게 전향하게 되므로, 이 누설 증기(SL)의 흐름이 효과적으로 가속되어, 시일 핀(6)의 상류측의 정압을 낮출 수 있다.

치수 L4가, 두께 치수 L0의 100배 이하(L4≤100×L0)이면, 오목부(62)에 의해 전향된 누설 증기(SL)의 흐름이, 오목부(62)를 통과하지 않는 주위의 누설 증기(SL)에 작용하여, 이 주위의 누설 증기(SL)의 흐름도 전향하게 된다. 이 때문에, 전향됨으로써 가속되는 누설 증기(SL)의 유량이 많아져, 주위 방향에 대하여 균일하게 정압을 낮출 수 있다.

[3. 작용ㆍ효과]

본 발명의 일 실시 형태로서의 시일 핀(6), 시일 구조(2) 및 증기 터빈(1)의 작용ㆍ효과를, 도 2 및 도 5를 참조하여 설명한다.

도 2에 도시하는 바와 같이 누설 증기(SL)는, 시일 핀(6)의 존재에 의해 직경 방향(R)으로 축류함으로써, 시일 핀(6)과 슈라우드(51)의 미소 간극(m)을 통과하는(누설되는) 것이 억제된다. 게다가, 본 발명의 일 실시 형태로서의 시일 구조(2) 및 시일 핀(6)에 따르면, 더 축류하여 시일 핀(6)의 내주연부(61a)까지 흘러 온 누설 증기(SL)가, 도 5에 도시하는 바와 같이, 오목부(62)의 형상(주위 방향으로 만곡된 형상)을 따라 주위 방향으로 흐르게 된다. 따라서, 누설 증기(SL)의 흐름에 있어서의 축 방향(A)으로의 속도 성분(즉 미소 간극(m)을 향하는 속도 성분)이, 주위 방향의 속도 성분으로 변환되므로, 누설 증기(SL)의 미소 간극(m)을 통과하려고 하는 흐름이 약해져, 미소 간극(m)을 통과하는 누설 증기(SL)의 유량(FL)을 억제할 수 있다(높은 누설 억제 효과가 얻어짐).

또한, 오목부(62)의 만곡 형상이, 내주연부(61a)에 가까워짐에 따라(즉 오목부(62) 내에 있어서의 누설 증기(SL)의 유통 방향 하류측으로 될수록) 회전축(30)의 회전 방향(C)을 따른 자세로 되므로, 오목부(62)로부터 유출된 누설 증기(SL)는 회전축(30)의 회전 방향(C)을 향하여 흐르게 된다. 따라서, 누설 증기(SL)와 슈라우드(51)의 마찰이 억제되고, 나아가 마찰 손실에 의한 터빈 효율의 저하를 억제할 수 있다.

또한, 오목부(62)는, 내주단(61b)에 가까워짐에 따라, 횡단면(도 5에 일점쇄선의 화살표로 나타내는 누설 증기(SL)의 흐름에 수직인 단면)이 좁아지는 스로틀 형상으로 되어 있으므로, 누설 증기(SL)는, 오목부(62)를 통과하는 과정에서 가속되는 결과, 그 정압이 저하된다.

이에 의해, 미소 간극(m)을 통과하는 누설 유량(FL)을 한층 효과적으로 억제할 수 있다(한층 높은 누설 억제 효과가 얻어짐).

또한, 오목부(62)의 주요 치수 L1, L2, L3, L4를 적당한 범위로 설정함으로써, 보다 높은 누설 억제 효과를 얻을 수 있다.

또한, 이러한 누설 억제 효과가 높은 시일 핀(6)을 사용함으로써, 증기 터빈(1)의 누설 손실을 억제하여 높은 터빈 효율을 얻을 수 있다.

시일 핀(6)의 내주연부(61a)의 두께 치수(축 방향(A)에 관한 치수)가 얇을수록 시일 억제 효과가 높아진다. 두께 치수가 두꺼우면, 축류한 누설 증기(SL)가, 미소 간극(m)을 한창 통과하는 중에 하류측에서 퍼져 시일 핀(6)의 저면에 재부착되어 버리기 때문이다. 시일 핀(6)의 내주연부(61a)에 오목부(62)를 설치하는 것은, 내주연부(61a)에 박육부를 설치하는 것이기 때문에, 이 점에서도 누설 억제 효과를 높일 수 있다.

[4. 기타]

(1) 시일 핀(6)에 설치한 오목부(62)의 형상은 상기 실시 형태의 것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 3에 도시하는 시일 핀(6)에 있어서, 오목부(62) 대신에, 도 6A 및 도 6B에 도시하는 오목부(62A, 62B)를 사용해도 된다. 또한, 도 6A 및 도 6B에서는 핀 본체(61)의 내주단(61b)의 원호 형상을 편의적인 직선 형상으로 도시하고 있다.

도 6A에 도시하는 오목부(62A)는, 핀 본체(61)의 내주단(61b)을 향하여, 회전축(30)(도 1 참조)의 회전 방향(C)에서 하류측으로 경사져 형성되고, 상기 실시 형태의 오목부(62)(도 4A 및 도 4B 참조)와는 달리, 그 오목부(62A)를 구획 형성하는 양 측벽(62a', 62b')이 스트레이트 형상으로 되어 있다.

이러한 구성에서도, 오목부(62A)에 의해 안내되어, 누설 증기(SL1, SL2)의 흐름의 축 방향(A)을 향하는 속도 성분이, 주위 방향으로의 속도 성분으로 변환되므로, 누설 증기(SL)의 미소 간극(m)을 통과하려고 하는 축 방향(A)으로의 흐름이 약해져, 높은 누설 억제 효과가 얻어진다.

또한, 오목부(62A)는, 오목부(62)와는 달리 스로틀 형상은 아니지만, 누설 증기(SL)는 정익(40)(도 1 및 도 2 참조)을 통과할 때, 동익(50)(도 2 참조)을 회전 방향(C)으로 회전 구동하는 방향으로 선회력이 부여된다. 이 때문에, 누설 증기(SL1, SL2)는, 도 6A 중에 일점쇄선의 화살표로 나타내는 바와 같이, 원심력에 의해 오목부(62A) 내에 있어서 선회 방향 외주측으로 치우쳐 흐르게 되므로, 결과적으로 교축되게 된다. 따라서, 누설 증기(SL1, SL2)가 가속하여 정압이 저하되고, 상기 실시 형태의 오목부(62)와 마찬가지로 스로틀링에 의한 누설 억제 효과도 얻어진다.

또한, 오목부(62A)는, 핀 본체(61)의 내주단(61b)에 접근할수록, 회전축(30)(도 1 참조)의 회전 방향(C)에서 하류측으로 되는 경사 자세로 형성되어 있으므로, 오목부(62A)로부터 유출된 누설 증기(SL1, SL2)의 흐름은 회전 방향(C)을 향하는 속도 성분을 갖고 있다. 따라서, 슈라우드(51)(도 2 참조)와의 마찰을 억제할 수 있다.

도 6B에 도시하는 오목부(62B)는, 오목부(62B)를 구획 형성하는 양 측벽(62a", 62b")이 직경 방향(R)을 따른 형상으로 되고, 전체적으로 직경 방향(R)을 따른 스트레이트 형상으로 형성되어 있다.

이러한 구성에서도, 도 6A에 도시하는 오목부(62A)와 마찬가지로, 동익에 의해 선회력이 부여된 누설 증기(SL1, SL2)는, 선회 방향 외주측으로 치우쳐 흐르게 되므로, 결과적으로 교축되게 되어 누설 억제 효과가 얻어진다.

또한, 도 6A 및 도 6B에 도시하는 구성에 있어서도, 오목부(62A, 62B)를 설치함으로써, 시일 핀(6)의 내주연부(61a)에 박육부를 설치할 수 있으므로, 박육부에 의한 누설 억제 효과가 얻어진다.

또한, 동익에 의해 선회력이 부여된 누설 증기, 즉 주위 방향으로의 속도 성분을 갖는 누설 증기가, 주위 방향에 대하여 교차하는 측벽(62a', 62a", 62b', 62b)에 충돌함으로써 누설 증기의 흐름을 약체화시키므로, 이 점에서도 누설 억제 효과가 얻어진다.

또한, 오목부(62A, 62B)를 스로틀 형상으로 해도 되고, 오목부(62A)를 도 6A와는 역방향의 경사 자세(내주단(61b)을 향하여 회전 방향(C)에서 상류측으로 되는 경사 자세)로 형성해도 된다.

(2) 상기 실시 형태에서는, 본 발명의 시일 구조를, 케이싱(10)과 동익(50)의 사이의 시일 구조에 적용하였지만, 회전축 본체(31)와 정익(40)의 사이의 시일 구조에 적용할 수도 있다.

(3) 상기 실시 형태에서는, 슈라우드(51)에 스텝형을 사용하였지만, 슈라우드(51)를, 스텝이 없는 직통형으로 해도 된다.

(4) 상기 실시 형태에서는, 시일 핀(6A, 6B, 6C) 전부에 대하여 오목부(62)를 설치하였지만, 시일 핀(6A, 6B, 6C) 중 적어도 하나에 오목부(62)를 설치하면 된다.

또한, 시일 핀(6A, 6B, 6C)별로 상이한 형상의 오목부를 설치해도 된다. 예를 들어, 시일 핀(6A)에 오목부(62)를 설치하고, 시일 핀(6B)에 오목부(62A)를 설치하고, 시일 핀(6C)에 오목부(62B)를 설치해도 된다.

혹은, 단일의 시일 핀(6)에 상이한 형상의 오목부(62, 62A, 62B)를 혼재하여 설치해도 된다.

(5) 상기 실시 형태에서는, 증기 터빈에 본 발명을 적용한 예를 설명하였지만, 본 발명은 가스 터빈이나 터보 압축기 등, 증기 터빈 이외의 터보 기계의 시일에도 적용할 수 있으며, 나아가, 상대적으로 회전하는 2개의 구조체의 사이의 시일이라면, 터보 기계 이외의 것(예를 들어 로터리 조인트)의 시일에도 적용할 수 있는 것이다.

1: 증기 터빈(터보 기계)
2: 시일 구조
3: 스텝부
4: 베이스면
5: 스텝면
6, 6A, 6B, 6C: 시일 핀
10: 케이싱(제1 구조체)
12: 환상 홈
13: 저면
25, 26: 캐비티
30: 회전축
31: 회전축 본체
40: 정익
50: 동익
51: 슈라우드(제2 구조체)
61: 핀 본체
61a: 핀 본체(61)의 내주연부
61b: 핀 본체(61)의 내주단
62, 62A, 62B: 오목부
62a, 62a', 62b, 62b': 오목부를 구획 형성하는 측벽
62c: 오목부(62)를 구획 형성하는 외주벽
62d: 오목부(62)를 구획 형성하는 저벽
A: 축 방향
C: 회전축(30)의 회전 방향
CL: 축선
Gd: 간극
L0: 핀 본체(61)의 두께 치수
L1: 오목부(62)의 깊이 치수
L2: 오목부(62)의 폭 치수
L3: 오목부(62)의 높이 치수
L4: 인접하는 오목부(62)의 상호간 거리
m: 미소 간극(클리어런스)
R: 직경 방향
S: 증기(유체)
SL: 누설 증기
W: 폭 방향

Claims

삭제
서로 간극을 두고 직경 방향에 대향하고 정지 상태의 제1 구조체와 축선 주위로 회전하는 제2 구조체의 사이의 상기 간극으로부터, 유체가 누설되는 것을 억제하고, 상기 제1 구조체에, 상기 제2 구조체를 향하여 연장되어, 그 연장 방향의 선단면과 상기 제2 구조체의 사이에 클리어런스를 두고 설치된 시일 핀이며,
상기 유체의 유통 방향에서 상류측을 향하는 전방면에는, 그 상기 연장 방향의 선단에 개구되는 오목부가, 주위 방향을 따라 복수 병설되고,
상기 오목부는, 상기 선단에 가까워짐에 따라 상기 주위 방향을 따른 자세로 되는 만곡 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 시일 핀.
제2항에 있어서, 상기 만곡 형상은, 상기 선단에 가까워짐에 따라 상기 제2 구조체의 회전 방향을 따른 자세로 되는 형상인 것을 특징으로 하는 시일 핀.
서로 간극을 두고 직경 방향에 대향하고 정지 상태의 제1 구조체와 축선 주위로 회전하는 제2 구조체의 사이의 상기 간극으로부터, 유체가 누설되는 것을 억제하고, 상기 제1 구조체에, 상기 제2 구조체를 향하여 연장되어, 그 연장 방향의 선단면과 상기 제2 구조체의 사이에 클리어런스를 두고 설치된 시일 핀이며,
상기 유체의 유통 방향에서 상류측을 향하는 전방면에는, 그 상기 연장 방향의 선단에 개구되는 오목부가, 주위 방향을 따라 복수 병설되고,
상기 오목부는, 상기 직경 방향에 대하여 경사져 형성된 것을 특징으로 하는 시일 핀.
제4항에 있어서, 상기 오목부는, 상기 선단을 향하여, 상기 제2 구조체의 회전 방향 하류측으로 경사진 것을 특징으로 하는 시일 핀.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오목부는, 상기 오목부 내를 흐르는 상기 유체의 흐름 방향에 수직으로 되는 횡단면이, 상기 선단에 가까워질수록 작아지는 스로틀 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 시일 핀.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오목부가 형성되어 있지 않은 개소에 있어서의 상기 시일 핀의 상기 축선을 따른 두께 치수를 기준 치수로 하고,
상기 오목부에 있어서의 상기 축선을 따른 깊이 치수가, 상기 기준 치수의 0.8배 이하로 설정되고,
상기 오목부의 상기 직경 방향 외측의 단부에 있어서의 상기 직경 방향과 직교하는 폭 방향의 치수가, 상기 기준 치수의 10배 이하로 설정되고,
상기 오목부의 상기 직경 방향의 높이 치수가, 상기 기준 치수의 20배 이하로 설정되고,
상기 주위 방향에 인접하는 상기 오목부의 상호간 거리가, 상기 기준 치수의 100배 이하로 설정된 것을 특징으로 하는 시일 핀.
서로 간극을 두고 직경 방향에 대향하고 정지 상태의 제1 구조체와 축선 주위로 회전하는 제2 구조체의 사이의 상기 간극으로부터, 유체가 누설되는 것을 억제하는 시일 구조이며,
상기 제1 구조체에, 상기 제2 구조체를 향하여 연장되어, 그 연장 방향의 선단면과 상기 제2 구조체의 사이에 클리어런스를 두고 설치된 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 시일 핀을 구비한 것을 특징으로 하는 시일 구조.
제8항에 기재된 시일 구조를 구비한 것을 특징으로 하는 터보 기계.