KR102624801B1 - 증기 터빈 날개, 증기 터빈, 및 그 운전 방법 - Google Patents

Abstract

증기 터빈 날개는, 직경 방향으로 뻗고, 상기 직경 방향에 직교하는 단면 형상이 날개형을 이루는 날개 본체(61)와, 날개 본체(61) 내에 있어서의 날개형의 후연(Er)을 따라 뻗도록 배치된 전열선을 갖는 히터(H)를 구비한다. 이 구성에 의하면, 증기 터빈 날개(60)의 표면에 부착된 습분에 의한 효율 저하를 보다 더 저감시키는 것이 가능해진다.

Description

증기 터빈 날개, 증기 터빈, 및 그 운전 방법

본 발명은, 증기 터빈 날개, 증기 터빈, 및 그 운전 방법에 관한 것이다.

본원은, 2019년 5월 31일에 일본에 출원된 특허출원 2019-101997호에 대하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.

증기 터빈의 정익(靜翼)에서는, 증기의 유통에 따라 그 표면에 물방울이 부착되는 경우가 있다. 이와 같은 물방울이 익면(翼面)에서 수막(水膜)을 형성하고, 그 수막이 정익 후연(後緣)으로부터 증기 중에 방출되어, 고속 증기 환경하에서 미세화되어 조대(粗大) 액적이 된다. 조대 액적은 증기의 흐름에 따라 하류 측으로 흐른다. 액적이 하류 측의 부재(예를 들면 동익(動翼) 등)에 충돌하면, 이로전이라고 불리는 손상이나, 동익의 회전에 대한 브레이크 효과가 발생하여, 증기 터빈의 안정적인 운전에 지장을 초래하거나, 증기 터빈의 효율을 저하시키거나 할 가능성이 있다. 이와 같은 액적(습분)의 발생을 회피하기 위한 기술로서, 예를 들면 하기 특허문헌 1에 기재된 것이 알려져 있다. 특허문헌 1에 기재된 장치는, 정익의 정압면(正壓面)의 광범위를 가열함으로써, 상기와 같은 습분을 증발시키는 것을 특징으로 하고 있다.

일본 특허공보 제5703082호

그러나, 상기 특허문헌 1에 기재된 장치에서는, 정압면의 넓은 범위를 가열함으로써, 습분을 완전하게 증발시키는 것을 지향하고 있다. 이 때문에, 가열에 필요로 하는 에너지가 과대해져 버린다. 그 결과, 습분의 제거에 의한 효율의 향상이, 가열에 필요로 하는 에너지에 의하여 상쇄되어, 증기 터빈 전체로서의 효율 향상이 한정적이 될 가능성이 있다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 액상(液相)에 의한 효율 저하를 보다 더 저감시키는 것이 가능한 증기 터빈 날개, 증기 터빈, 및 그 운전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 양태에 관한 증기 터빈 날개는, 직경 방향으로 뻗고, 상기 직경 방향에 직교하는 단면(斷面) 형상이 날개형을 이루는 날개 본체와, 상기 날개 본체 내에 있어서의 상기 날개형의 후연을 따라 뻗도록 배치된 전열선을 갖는 히터를 구비한다.

여기에서, 증기 터빈의 운전 중에는, 날개 본체의 표면에 미세한 물방울이 부착된다. 이와 같은 물방울은 날개 본체의 표면 상에서 수막, 또는 수맥을 형성한다. 이들 수막, 또는 수맥은, 증기의 흐름을 따라 날개 본체의 표면을 하류 측(즉, 후연 측)을 향하여 이동한다. 상기의 구성에 의하면, 이와 같은 수막이 집중되는 후연에 전열선이 마련되어 있다. 이 전열선에 통전함으로써 수막은 가열되어 모두 증발하거나, 또는 그 적어도 일부가 증발한다. 수막의 일부가 증발하는 경우에는, 액상으로부터 기상(氣相)으로의 상변화에 따른 체적 팽창 효과에 의하여 수막의 내부에서 폭발이 발생하고, 이 폭발에 따른 찢어짐에 의하여 당해 수막이 미세화된다. 또, 가열에 의한 온도 상승에 의하여 수막의 표면 장력이 저하되는 것도, 수막의 미세화에 기여한다. 이와 같이 수막이 미세화, 또는 증발함으로써, 비록 이들 액막이 하류 측으로 날려졌다고 해도, 미세한 점에서 하류 측의 구조물에 부여하는 손상이나 브레이크 효과를 작게 억제할 수 있다. 또, 상기 구성에서는, 물방울을 완전하게 증발시키지 않아도, 가열에 의한 부분적인 증발 효과로 액막을 미세화할 수 있는 점에서, 가열에 필요로 하는 에너지를 억제할 수도 있다.

상기 증기 터빈 날개에서는, 상기 날개 본체는, 만곡(灣曲)된 상태의 판재(板材)에 의하여 형성되고, 상기 판재는, 상기 후연과는 반대 측의 단연(端緣)인 전연(前緣)이 만곡되어 있는 상태임과 함께, 서로 대향하는 면끼리가 상기 후연 측에서 맞닿아 있는 상태임으로써 상기 날개형을 형성하며, 상기 전열선은, 상기 대향하는 면끼리의 사이에 협지되어 있어도 된다.

상기 구성에 의하면, 판재를 만곡시킴과 함께, 후연 측의 에지면을 서로 맞닿게 함으로써 날개형이 형성되어 있다. 또한, 전열선은 맞닿은 면끼리의 사이에 협지되어 있다. 이로써, 전열선을 안정적으로 고정할 수 있음과 함께, 간소하고 또한 저렴하게 증기 터빈 날개를 얻을 수 있다.

상기 증기 터빈 날개는, 상기 날개 본체는, 상기 후연과는 반대 측의 단연인 전연을 포함하는 제1 부분과, 상기 후연을 포함함과 함께 상기 전열선이 마련된 제2 부분과, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 사이에 마련되어, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 사이를 열적으로 또한 전기적으로 절연하는 단열 절연부를 가져도 된다.

상기 구성에 의하면, 날개 본체는, 전연을 포함하는 제1 부분과, 후연을 포함하는 제2 부분과, 이들 제1 부분과 제2 부분의 사이에 배치되는 단열 절연부를 갖고 있다. 전열선은 제2 부분에 마련되어 있다. 따라서, 예를 들면 미리 제1 부분을 제조한 다음, 별개로 제조된 제2 부분, 및 단열 절연부를 사후적으로 제1 부분에 장착함으로써, 용이하게 증기 터빈 날개를 얻을 수 있다. 또한, 기존에 설치된 증기 터빈(증기 터빈 날개)에 대해서도, 날개 본체의 후연 측을 절제하여 전열선을 장착한 후, 제1 부분에 재차 장착함으로써, 전열선을 구비하는 증기 터빈 날개를 용이하게 얻을 수 있다.

상기 증기 터빈 날개에서는, 상기 날개 본체에는, 상기 후연을 따라 뻗음과 함께, 상기 후연과는 반대 측의 단연인 전연 측을 향하여 오목하게 파임으로써 상기 전열선을 수용하는 수용 홈이 형성되어 있어도 된다.

상기 구성에 의하면, 후연에 전열선을 수용하는 수용 홈이 형성되어 있다. 이로써, 보다 간소하고 또한 저렴한 구조하에서, 전열선을 날개 본체에 대하여 장착할 수 있다.

상기 증기 터빈 날개에서는, 상기 후연에는, 상기 직경 방향 내측으로부터 외측을 향하여 간격을 두고 배열됨과 함께, 상기 후연으로부터 전연 측을 향하여 오목하게 파이는 복수의 오목부가 형성되고, 상기 전열선은, 상기 복수의 오목부에 대응하는 영역에 배치되어 있어도 된다.

상기 구성에 의하면, 후연에는, 직경 방향으로 간격을 두고 배열된 복수의 오목부가 형성되어 있다. 각 오목부는, 후연으로부터 전연을 향하여 오목하게 파여 있다. 이 구성에서는, 증기 터빈의 운전 중에 날개 본체에 부착된 수막은, 증기의 흐름을 따라 후연 측을 향하여 흐른 후, 오목부 내에 포착된다. 오목부에는 전열선이 배치되어 있는 점에서, 포착된 수막을 효율적으로 가열할 수 있다. 즉, 후연의 연장 방향 전역을 가열하는 구성에 비하여, 전열선이 배치되는 영역이 작은 점에서, 가열에 필요로 하는 에너지를 보다 작게 억제할 수 있다.

상기 증기 터빈 날개에서는, 상기 오목부는, 상기 후연 측으로부터 상기 전연 측을 향하여 곡면상으로 오목하게 파이고, 상기 전열선은, 상기 곡면을 따라 만곡되어 있어도 된다.

상기 구성에 의하면, 오목부가 곡면상으로 오목하게 파임과 함께, 전열선이 당해 곡면을 따라 만곡되어 있다. 이로써, 오목부 내에 포착된 수막에 대하여 효율적으로 열을 가할 수 있다. 그 결과, 보다 작은 에너지로 수막을 미세화할 수 있다.

상기 증기 터빈 날개에서는, 상기 전열선의 적어도 일부는, 상기 오목부의 바닥면으로부터 노출되어 있어도 된다.

상기 구성에 의하면, 오목부의 바닥면으로부터 전열선의 일부가 노출되어 있는 점에서, 오목부 내에 포착된 수막에 대하여 열을 직접적으로 가할 수 있다. 그 결과, 수막의 미세화를 더 촉진할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 관한 증기 터빈은, 축선 둘레로 회전하는 회전축과, 상기 회전축의 외주면(外周面)으로부터 상기 직경 방향 외측을 향하여 뻗음과 함께, 둘레 방향으로 간격을 두고 배열된 복수의 동익과, 상기 복수의 동익을 외주 측으로부터 덮는 케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 마련되고, 상기 동익과 상기 축선 방향으로 인접하여 배치된 정익으로서의 상기 어느 일 양태에 관한 증기 터빈 날개를 구비한다.

상기 구성에 의하면, 수막의 발생이 억제됨으로써, 보다 효율이 향상된 증기 터빈을 얻을 수 있다.

본 발명의 일 양태에 관한 증기 터빈의 운전 방법은, 상기 어느 일 양태에 관한 증기 터빈의 운전 방법으로서, 상기 전열선에 의하여 상기 후연을 미리 정해진 제1 온도까지 가열하는 제1 가열 스텝과, 상기 증기 터빈을 기동하는 기동 스텝과, 상기 기동 스텝이 완료되어 상기 증기 터빈이 정상(定常) 상태가 된 후에, 상기 제1 온도보다 낮은 온도인 제2 온도에서 상기 후연을 가열하는 제2 가열 스텝을 포함한다.

여기에서, 증기 터빈의 기동 전의 상태(상온 상태)에서는, 증기 터빈 날개나 증기 터빈 동익의 온도는, 증기 온도보다 큰폭으로 낮아져 있는 것이 생각된다. 따라서, 기동 시에는 증기가 증기 터빈 날개 상에서 수막을 형성하기 쉬운 상태가 되어 있다. 상기의 운전 방법에서는, 증기 터빈의 기동(기동 스텝)에 앞서 제1 가열 스텝을 실행함으로써, 날개 본체의 후연을 전열선에 의하여 미리 제1 온도에서 가열한다. 그 후, 증기 터빈이 정상 상태가 되었을 때에는, 제1 온도보다 낮은 제2 온도에서 후연을 계속 가열한다. 바꾸어 말하면, 제1 온도는 제2 온도보다 높은 온도이다. 따라서, 기동에 앞서 날개 본체를 상대적으로 고온 상태로 함으로써, 상술한 수막의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.

상기 증기 터빈의 운전 방법에서는, 상기 제2 가열 스텝은, 상기 케이싱의 내주면에 있어서의 상기 후연보다 하류 측에서 정압(靜壓)을 계측하는 정압 계측 스텝과, 상기 정압에 근거하여 증기의 포화 온도를 산출하는 포화 온도 산출 스텝과, 상기 포화 온도보다 높은 온도로서 상기 제2 온도를 설정하는 온도 설정 스텝을 포함해도 된다.

상기의 방법에 의하면, 케이싱의 내주면에 있어서의 후연보다 하류 측에서 계측된 정압에 근거하여 증기의 포화 온도를 산출하고, 당해 포화 온도보다 높은 온도를 제2 온도로서 설정한다. 정압의 계측은, 다른 물리량의 계측에 비하여 용이하게 행할 수 있음과 함께 정확도가 높다. 따라서, 상기의 방법에 의하면, 보다 용이하고 또한 정확하게 제2 온도를 설정할 수 있다. 그 결과, 날개 본체의 후연으로부터 조대 물방울이 발생해 버릴 가능성을 더 저감시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 습분에 의한 효율 저하를 보다 더 저감시키는 것이 가능한 증기 터빈 날개, 증기 터빈, 및 그 운전 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 증기 터빈의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 관한 증기 터빈 날개의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 관한 증기 터빈 날개의 주요부 확대도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 관한 증기 터빈 날개의 구성을 나타내는 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 관한 증기 터빈의 운전 방법을 나타내는 플로차트이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 관한 증기 터빈 날개의 변형예를 나타내는 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 관한 증기 터빈 날개의 다른 변형예를 나타내는 횡단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태에 관한 증기 터빈 날개의 가일층의 변형예를 나타내는 횡단면도이다.

본 발명의 실시형태에 대하여, 도 1부터 도 4를 참조하여 설명한다. 본 실시형태에 관한 증기 터빈(1)은, 회전축(2)과, 베어링 장치(3)와, 복수의 동익렬(動翼列)(4)과, 케이싱(5)과, 복수의 정익렬(靜翼列)(6)을 구비하고 있다. 회전축(2)은 축선(O)을 따라 뻗는 기둥상을 이루고 있으며, 당해 축선(O) 둘레로 회전 가능하다. 베어링 장치(3)는, 이 회전축(2)의 축단을 지지하고 있다. 베어링 장치(3)는, 한 쌍의 저널 베어링(31)과, 1개만의 스러스트 베어링(32)을 갖고 있다. 한 쌍의 저널 베어링(31)은, 회전축(2)의 축선(O) 방향 양측의 단부에 각각 마련되어 있다. 각 저널 베어링(31)은, 축선(O)에 대한 직경 방향으로의 하중을 지지한다. 스러스트 베어링(32)은, 축선(O) 방향 일방 측에만 마련되어 있다. 스러스트 베어링(32)은, 축선(O) 방향으로의 하중을 지지한다. 회전축(2)의 외주면에는, 축선(O) 방향으로 간격을 두고 배열된 복수의 동익렬(4)이 마련되어 있다. 각 동익렬(4)은, 축선(O)에 대한 둘레 방향으로 간격을 두고 배열된 복수의 동익(40)을 갖고 있다. 동익(40)은, 동익 플랫폼(41)과, 동익 본체(42)와, 동익 슈라우드(43)(슈라우드)를 갖고 있다. 동익 플랫폼(41)은, 회전축(2)의 외주면으로부터 직경 방향 외측을 향하여 돌출되어 있다. 동익 본체(42)는, 동익 플랫폼(41)의 외주면에 장착되어 있다. 동익 본체(42)는, 직경 방향으로 뻗음과 함께, 직경 방향에 직교하는 단면 형상이 날개형을 이루고 있다. 동익 본체(42)의 직경 방향 외측의 단부에는, 동익 슈라우드(43)가 장착되어 있다.

회전축(2), 및 동익렬(4)(동익(40))은, 외주 측으로부터 케이싱(5)에 의하여 둘러싸여 있다. 케이싱(5)은, 축선(O)을 중심으로 하는 통 형상을 이루고 있다. 케이싱(5)의 내주면에는, 축선(O) 방향으로 간격을 두고 배열된 복수의 정익렬(6)이 마련되어 있다. 이들 정익렬(6)은, 축선(O) 방향에 있어서 상기의 동익렬(4)과 번갈아 배열되어 있다. 각 정익렬(6)은, 축선(O)에 대한 둘레 방향으로 간격을 두고 배열된 복수의 정익(60)을 갖고 있다. 정익(60)은, 정익 본체(61)와, 정익 슈라우드(62)와, 정압 센서(Sp)와, 후술하는 히터(H)(도 2 참조), 및 히터(H)의 거동을 제어하는 제어 장치(100)를 갖고 있다. 정익 본체(61)는, 케이싱(5)의 내주면의 정익 지지부(90)에 장착되어 있다. 정익 본체(61)는, 정익 지지부(90)의 내주면으로부터 직경 방향으로 뻗음과 함께, 직경 방향에서 보아 날개형의 단면 형상을 갖고 있다. 정익 본체(61)의 직경 방향 내측의 단부에는, 정익 슈라우드(62)가 장착되어 있다. 케이싱(5)의 내주면에 있어서의 서로 인접하는 한 쌍의 정익(60)끼리의 사이에는, 케이싱(5)의 내주면으로부터 직경 방향 외측을 향하여 오목하게 파이는 캐비티(8)가 형성되어 있다. 상술한 동익 슈라우드(43)는, 이 캐비티(8)에 수용되어 있다. 또한, 이들 동익(40), 및 정익(60)을 총칭하여 증기 터빈 날개라고 부르는 경우가 있다.

케이싱(5)의 축선(O) 방향 일방 측의 단부에는, 외부로부터 공급된 고온 고압의 증기를 도입하는 흡기구(51)가 형성되어 있다. 케이싱(5)의 축선(O) 방향 타방 측의 단부에는, 케이싱(5) 내를 통과한 증기를 배출하는 배기구(52)가 형성되어 있다. 흡기구(51)로부터 도입된 증기는, 축선(O) 방향 일방 측으로부터 타방 측을 향하여 케이싱(5) 내를 통과하는 도중에 복수의 동익렬(4)(동익(40)), 및 복수의 정익렬(6)(정익(60))에 번갈아 충돌한다. 이로써, 회전축(2)에 회전 에너지가 부여된다. 회전축(2)의 회전은 축단으로부터 취출되어, 예를 들면 발전기(도시 생략)의 구동 등에 이용된다. 이후의 설명에서는, 축선(O) 방향 일방 측으로부터 타방 측을 향하여 케이싱(5) 내를 유통하는 증기의 흐름을 주류(Fm)라고 부른다. 또한, 주류(Fm)가 흘러 오는 측(축선(O) 방향 일방 측)을 상류 측이라고 부르고, 주류(Fm)가 흘러 가는 측(축선(O) 방향 타방 측)을 하류 측이라고 부른다.

다음으로, 도 2를 참조하여, 정익(60)의 구성에 대하여 상세하게 설명한다. 동일 도면에 나타내는 바와 같이, 정익 본체(61)는, 축선(O) 방향 일방 측(상류 측)을 향하는 전연(Ef)과, 축선(O) 방향 타방 측(하류 측)을 향하는 후연(Er)과, 전연(Ef)으로부터 후연(Er)을 향하여 확산되는 정압면(6S)과, 정압면(6S)의 반대 측을 향하는 부압면(도시 생략)에 의하여 형성되어 있다. 또한, 도 2의 예에서는, 정익 본체(61)는, 직경 방향 내측으로부터 외측을 향함에 따라 점차 코드 길이(전연(Ef)부터 후연(Er)까지의 치수)가 길어지는 구성을 채용하고 있다. 그러나, 정익 본체(61)의 형상은 상기에 한정되지 않고, 설계나 사양에 따라 적절히 변경하는 것이 가능하다.

정익 본체(61)의 내부이며, 후연(Er)에 근접하는 부분에는, 히터(H)가 매설되어 있다. 히터(H)는, 외부로부터의 통전에 의하여, 내부 저항에 기인하는 발열을 발생한다. 이 히터(H)의 직경 방향 외측의 단부는, 리드선(L0)을 통하여 제어 장치(100)에 접속되어 있다. 또한, 히터(H)는, 정익 본체(61)의 직경 방향 외측의 에지면으로부터 직경 방향 내측을 향하여 정익 본체(61)의 내부에 매설되어 있다. 히터(H)의 직경 방향 내측의 단부에는, 전류를 제어 장치(100)로 되돌리기 위한 부극선(Lb)이 접속되어 있다. 부극선(Lb)도, 히터(H)와 동일하게 정익 본체(61)의 내부에 매설되어 있다. 자세하게는 후술하겠지만, 히터(H)는, 후연(Er)의 표면에 대하여, 당해 표면에 부착된 물방울(액적)을 가열하여, 그 적어도 일부를 증발시키는 것이 가능한 열량을 부여한다. 바꾸어 말하면, 히터(H)는, 이와 같은 열량을 후연(Er)의 표면에 전달시키는 것이 가능한 정도의 거리만큼 후연(Er)에 근접한 상태에서, 정익 본체(61)의 내부에 매설되어 있다.

케이싱(5)의 내주면에 있어서의 후연(Er)보다 하류 측의 위치(즉, 케이싱(5)의 내주면에 있어서의 후연(Er)에 근접하는 위치이며, 정압면(6S) 상에서 발생하고 있는 정압 분포(압력 구배)에 의한 영향을 받지 않는 위치)에는, 증기(주류(Fm))의 정압을 검출하기 위한 정압 센서(Sp)가 장착되어 있다. 이 정압 센서(Sp)는, 검출한 정압의 값을 전기 신호로서 신호선(Ls)을 통하여 제어 장치(100)에 송출한다. 또한, 정압 센서(Sp)로서는, 지금까지 실용화되고 있는 다양한 형식으로부터 적절히 선택한 것을 이용하는 것이 가능하다.

여기에서, 정압면(6S) 상의 둘레 방향에 있어서의 정압 분포의 편향은 비교적 작은 것이 알려져 있다. 따라서, 둘레 방향에 있어서의 적어도 1개소에 정압 센서(Sp)가 마련되어 있으면 된다. 즉, 상기의 정압 센서(Sp)는, 반드시 정익(60)마다 마련될 필요는 없다. 한편, 고장에 대비하기 위한 용장성을 고려한 경우, 둘레 방향에 4개의 정압 센서(Sp)가 마련되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 케이싱(5) 내의 수평 방향에 있어서의 2개소와, 상하 방향에 있어서의 2개소에 각각 정압 센서(Sp)를 마련하는 것이 바람직하다. 이로써, 필요해지는 부품 개수의 삭감과, 공수(工數)의 삭감을 도모할 수 있다. 또, 케이싱(5)에 실시해야 할 펀칭 가공(정압 센서(Sp)를 매설하기 위한 가공)이 줄어드는 점에서, 구멍의 형성에 기인하는 트러블의 발생 리스크도 억제할 수 있다.

제어 장치(100)는, 정압 센서(Sp)로부터 수신한 정압의 값에 근거하여, 당해 정압값의 상태하에서의 포화 온도를 산출하고, 정익 본체(61)에 부착된 물방울이 이 포화 온도 이상으로 가열되도록, 히터(H)의 출력을 변화시킨다. 구체적으로는, 제어 장치(100)는, 전류 공급부(101)와, 온도 산출부(102)와, 온도 설정부(103)를 갖고 있다. 전류 공급부(101)는, 상기의 리드선(L0)을 통하여 히터(H)에 전류를 공급한다. 온도 산출부(102)는, 정압 센서(Sp)가 검출한 정압값에 근거하여, 당해 정압값의 상태하에서의 물의 포화 온도를 산출한다. 또한, 이와 같은 산출을 행함에 있어서는, 온도 산출부(102)가 미리 기억하고 있는 포화 온도와 정압의 관계를 나타내는 테이블을 이용하는 방식이 일례로서 이용된다. 온도 설정부(103)는, 온도 산출부(102)가 산출한 포화 온도의 값보다 소정 값만큼 높은 온도를, 히터(H)에 의한 가열 목표 온도로서 설정·산출한다. 상기의 전류 공급부(101)는, 이 가열 목표 온도를 충족시키도록, 히터(H)에 필요한 전류를 공급한다.

이어서, 도 3을 참조하여, 정익 본체(61)의 후연(Er)의 구성, 및 히터(H)의 구성에 대하여 상세하게 설명한다. 동일 도면에 나타내는 바와 같이, 후연(Er)에는, 직경 방향으로 간격을 두고 배열된 복수의 오목부(R)가 형성되어 있다. 자세하게는 후술하겠지만, 이들 오목부(R)는, 정익 본체(61)의 표면에 부착된 미세한 물방울이 맥류(Ft)가 되어 하류 측으로 흘렀을 때에 이것을 물방울(액적)(W)로서 포착·체류시키기 위하여 형성되어 있다. 각 오목부(R)는, 후연(Er)으로부터 전연(Ef) 측을 향하여 곡면상으로 오목하게 파여 있다. 즉, 후연(Er)은, 이와 같은 오목부(R)가 연속하여 마련되어 있음으로써, 둘레 방향에서 보아 파형이 되어 있다. 각 오목부(R)의 직경 방향의 단연은, 후연(Er)에 대하여 매끄러운 곡면상으로 접속되어 있다.

히터(H)는, 정익 본체(61) 내부에 있어서의 상기 오목부(R)에 대응한 부분에 배치된 복수의 전열선(Lh)과, 인접하는 전열선(Lh)끼리를 접속하는 접속선(Lc)을 갖고 있다. 전열선(Lh)은, 오목부(R)의 만곡 형상을 따라 후연(Er) 측으로부터 전연(Ef) 측을 향하여 만곡되어 있다. 즉, 이 전열선(Lh)은 전체 길이에 걸쳐, 오목부(R)의 표면으로부터 등거리만큼 이간되어 있다. 이로써, 오목부(R)의 표면에 대하여 전열선(Lh)으로부터 균등하게 열을 가하는 것이 가능해져 있다. 또한, 전열선(Lh)으로서 구체적으로는, 비교적 높은 내부 저항을 발생하는 금속선을 심선(芯線)으로 하고, 이 심선의 주위를 절연막으로 덮은 선재(線材)가 적합하게 이용된다. 이 종류의 선재로서, 예를 들면 시즈 히터(등록 상표)를 들 수 있다. 시즈 히터(등록 상표)는, 니크로뮴선의 주위를, 절연체인 마그네시아의 분말로 덮은 것이다. 정익 본체(61)가 금속 재료로 형성되어 있는 경우, 이와 같은 절연 처리를 실시함으로써, 열의 전파 경로를 확보하면서, 전류의 확산을 방지할 수 있다. 또, 전열선(Lh)에 의한 가열의 양태로서는, 상기와 같은 내부 저항에 의한 것 이외에, 고주파에 의한 유도 가열을 이용하는 것도 가능하다.

다음으로, 도 4를 참조하여, 상기의 정익(60)의 제조 방법의 일례에 대하여 설명한다. 동일 도면에 나타내는 바와 같이, 상기의 히터(H)를 내장하는 정익(60)을 얻음에 있어서는, 1매의 판재를 만곡시킴으로써 전연(Ef)을 형성함과 함께, 만곡시켰을 때에 서로 대향하는 면끼리를 맞닿음·고정함으로써 후연(Er)을 형성하는 공정을 채용하는 것이 일례로서 생각된다. 정익(60)의 내부는, 중공부(V)로서의 공간이 형성된다. 이 공간 내에는, 도시하지 않은 냉각 장치 등을 내장시켜도 된다. 이와 같이 구성한 정익 본체(61)에서는, 후연(Er)을 형성하는 면끼리의 사이에 히터(H)를 협지시킴으로써, 당해 히터(H)를 강고하고 또한 안정적으로 매설할 수 있다. 바꾸어 말하면, 이와 같은 방법에 의하면, 히터(H)를 구멍에 삽통(揷通)시키는 등의 복잡한 공정을 거치지 않고, 용이하고 또한 저비용으로 히터(H)를 갖는 정익(60)을 얻는 것이 가능하다.

계속해서, 본 실시형태에 관한 증기 터빈(1)의 운전 방법에 대하여 설명한다. 증기 터빈(1)을 운전함에 있어서는, 먼저 외부의 공급원(보일러 등)으로부터 고온 고압의 증기를 케이싱(5) 내로 유도한다. 케이싱(5) 내에 도입된 증기는, 정익(60), 동익(40)에 번갈아 충돌함으로써, 동익(40)을 통하여 회전축(2)에 회전력을 부여한다. 회전축(2)의 에너지는 축단에 접속된 발전기 등의 외부 기기의 구동에 이용된다. 여기에서, 증기는 케이싱(5) 내를 상류 측으로부터 하류 측을 향하여 흐름에 따라, 점차 압력과 온도가 저하된다. 특히, 온도가 저하됨으로써, 정익(60)(정익 본체(61))의 표면에는, 미세한 물방울이 부착·집합됨으로써 수막이 형성된다. 이 수막은, 재차 증기 중에 방출될 때에 분열되어, 조대 액적이라고 불리는 비교적 큰 액적이 된다. 조대 액적은, 증기의 흐름에 노출됨으로써 하류 측으로 날려지는 경우가 있다. 그 결과, 고속으로 회전하고 있는 동익(40)에 이와 같은 액적이 충돌함으로써, 동익(40)의 표면에 이로전을 발생시키거나, 동익(40)의 회전에 대한 브레이크가 되거나 할 가능성이 있다. 따라서, 상기와 같은 수막은, 가능한 한 제거하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 실시형태에서는, 정익 본체(61)의 후연(Er)에 히터(H)를 마련함으로써, 미세한 물방울을 가열하여, 적어도 그 일부를 증발시키거나, 또는 더 미세화시킨다. 보다 구체적으로는, 상술한 제어 장치(100)에 의하여, 정익 본체(61)의 표면(정압면(6S)) 상에 있어서의 정압을 검출하고, 이 정압값으로부터 당해 정압하에서의 물의 포화 온도를 산출한다. 또한 제어 장치(100)는, 이 포화 온도보다 소정 값만큼 높은 온도를 가열 목표 온도로서 설정한다. 제어 장치(100)에 포함되는 온도 설정부(103)는, 이 가열 목표 온도를 실현하는 것이 가능한 만큼의 전류를 히터(H)에 공급한다. 히터(H)에서는, 이 전류와 내부 저항에 의한 발열이 발생하여, 후연(Er)에 있어서의 오목부(R) 내에 체류하고 있는 물방울(W)이 가열된다. 가열된 물방울(W)은, 그 적어도 일부가 증발하거나, 또는 물방울(W)의 내부에서 발생하는 폭발에 의한 찢어짐에 의하여 더 미세한 액적이 된다.

특히, 증기 터빈(1)을 상온 상태로부터 기동할 때에는, 이하와 같은 운전 방법이 채용된다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 이 운전 방법은, 제1 가열 스텝 S1과, 기동 스텝 S2와, 제2 가열 스텝 S3을 포함한다. 제1 가열 스텝 S1에서는, 냉간 상태(온도가 비교적 낮은 상태)에 있는 증기 터빈(1)의 정익 본체(61)에 대하여, 히터(H)에 의하여 임의의 온도(제1 온도)가 될 때까지 열이 가해진다. 이로써, 정익 본체(61)의 후연(Er)은 냉간 상태보다 높은 온도인 제1 온도가 된다. 이 상태에서, 증기 터빈(1)을 기동한다(기동 스텝 S2). 여기에서, 정익 본체(61)에 대하여 아무런 가열 등의 처치를 실시하고 있지 않은 경우, 증기보다 저온 상태에 있는 정익 본체(61)와 증기의 온도차에 의하여, 정익 본체(61)의 표면에 물방울이 발생하는 경우가 있다. 그러나, 상기와 같이 정익 본체(61)를 히터(H)에 의하여 미리 가열해 둠으로써 상기의 온도차가 작아지기 때문에, 물방울을 발생하기 어렵게 할 수 있다.

또한, 기동 스텝 S2가 완료되어 증기 터빈(1)이 정상 상태가 된 후에, 제2 가열 스텝 S3을 실행한다. 제2 가열 스텝 S3은, 정압 계측 스텝 S31과, 포화 온도 산출 스텝 S32와, 온도 설정 스텝 S33을 포함한다. 정압 계측 스텝 S31에서는, 상술한 정압 센서(Sp)에 의하여, 정압면(6S)의 정압이 계측된다. 그 후, 제어 장치(100)에 의하여, 정압값에 근거하는 포화 온도가 산출되고(포화 온도 산출 스텝 S32), 이 포화 온도보다 낮은 온도인 제2 온도가 히터(H)에 의한 가열 목표 온도로서 설정된다(온도 설정 스텝 S33). 이 상태에서, 증기 터빈(1)은 계속해서 운전된다.

이상, 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 관한 증기 터빈(1)에서는, 물방울의 발생이 억제됨으로써, 보다 안정적으로 운전을 행할 수 있다. 여기에서, 증기 터빈(1)의 운전 중에는, 정익 본체(61)의 표면에 미세한 물방울이 부착된다. 이와 같은 물방울은 정익 본체(61)의 표면 상에서 수막, 또는 수맥을 형성한다. 이들 수막, 또는 수맥은, 증기의 흐름을 따라 정익 본체(61)의 표면을 하류 측(즉, 후연 측)을 향하여 맥류(Ft)로서 이동한다. 상기의 구성에 의하면, 이와 같은 수막이 집중되는 후연에 전열선(Lh)이 마련되어 있다. 이 전열선에 통전함으로써 수막은 가열되어 모두 증발하거나, 또는 그 적어도 일부가 증발한다. 수막의 일부가 증발하는 경우에는, 액상으로부터 기상으로의 상변화에 따른 체적 팽창 효과에 의하여 수막의 내부에서 폭발이 발생하고, 이 폭발에 따른 찢어짐에 의하여 당해 수막이 미세화된다. 또, 가열에 의한 온도 상승에 의하여 수막의 표면 장력이 저하되는 것도, 수막의 미세화에 기여한다. 이와 같이 수막이 미세화, 또는 증발함으로써, 비록 이들 액막이 하류 측으로 날려졌다고 해도, 미세한 점에서 하류 측의 구조물에 부여하는 손상이나 브레이크 효과를 작게 억제할 수 있다. 또, 상기 구성에서는, 물방울을 완전하게 증발시키지 않아도, 가열에 의한 부분적인 증발 효과로 액막을 미세화할 수 있는 점에서, 가열에 필요로 하는 에너지를 억제할 수도 있다.

또한, 상기 구성에 의하면, 판재를 만곡시킴과 함께, 후연(Er) 측의 에지면을 서로 맞닿게 함으로써 정익 본체(61)의 날개형이 형성되어 있다. 또한, 전열선(Lh)은 상기의 대향·맞닿은 면끼리의 사이에 협지되어 있다. 이로써, 전열선(Lh)을 안정적으로 고정할 수 있음과 함께, 간소하고 또한 저렴하게 정익(60)을 얻을 수 있다.

또한, 상기 구성에 의하면, 후연(Er)에는, 직경 방향으로 간격을 두고 배열된 복수의 오목부(R)가 형성되어 있다. 각 오목부(R)는, 후연(Er)으로부터 전연(Ef)을 향하여 오목하게 파여 있다. 이 구성에서는, 증기 터빈(1)의 운전 중에 정익 본체(61)에 부착된 물방울은, 증기의 흐름을 따라 후연(Er) 측을 향하여 흐른 후, 오목부(R) 내에 포착된다. 오목부(R)에는 전열선(Lh)이 배치되어 있는 점에서, 포착된 물방울을 효율적으로 가열할 수 있다. 즉, 후연(Er)의 연장 방향 전역을 가열하는 구성에 비하여, 전열선(Lh)이 배치되는 영역이 작은 점에서, 가열에 필요로 하는 에너지를 보다 작게 억제할 수 있다.

추가로 또한, 상기 구성에 의하면, 오목부(R)가 곡면상으로 오목하게 파임과 함께, 전열선(Lh)이 당해 곡면을 따라 만곡되어 있다. 이로써, 오목부(R) 내에 포착된 물방울에 대하여 효율적으로 열을 가할 수 있다. 그 결과, 보다 작은 에너지로 물방울을 미세화할 수 있다.

여기에서, 증기 터빈(1)의 기동 전의 상태(냉간 상태)에서는, 정익(60)이나 동익(40)의 온도는, 증기 온도보다 큰폭으로 낮아져 있는 것이 생각된다. 따라서, 기동 시에는 증기가 정익(60) 상에 부착되기 쉬운 상태가 되어 있다. 상기의 운전 방법에서는, 증기 터빈(1)의 기동(기동 스텝 S2)에 앞서 제1 가열 스텝 S1을 실행함으로써, 정익 본체(61)의 후연(Er)을 전열선(Lh)에 의하여 미리 제1 온도에서 가열한다. 그 후, 증기 터빈이 정상 상태가 되었을 때에는, 제1 온도보다 낮은 제2 온도에서 후연(Er)을 계속 가열한다. 바꾸어 말하면, 제1 온도는 제2 온도보다 높은 온도이다. 따라서, 기동에 앞서 정익 본체(61)를 상대적으로 고온 상태로 함으로써, 상술한 수막의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 상기의 방법에 의하면, 케이싱(5)의 내주면에 있어서의 후연(Er)보다 하류 측의 정압에 근거하여 증기의 포화 온도를 산출하고, 당해 포화 온도보다 높은 온도를 제2 온도로서 설정한다. 정압의 계측은, 다른 물리량의 계측에 비하여 용이하게 행할 수 있음과 함께 정확도가 높다. 따라서, 상기의 방법에 의하면, 보다 용이하고 또한 정확하게 제2 온도를 설정할 수 있다. 그 결과, 정익 본체(61)의 표면에서 물방울이 성장해 버릴 가능성을 더 저감시킬 수 있다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했다. 또한, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 한에 있어서, 상기의 구성에 다양한 변경이나 개수(改修)를 실시하는 것이 가능하다. 예를 들면, 정익 본체(61)를 얻음에 있어서는, 상기 실시형태에서 설명한 구성 대신에, 도 6부터 도 8에 나타내는 구성을 채용하는 것도 가능하다. 도 6의 예에서는, 정익 본체(61)는, 전연(Ef) 측을 포함하는 제1 부분(P1)과, 후연(Er) 측을 포함하는 제2 부분(P2)과, 이들 제1 부분(P1) 및 제2 부분(P2)의 사이에 마련된 단열 절연부(Pm)를 갖고 있다. 제1 부분(P1)의 후연(Er) 측의 단연에는, 전연(Ef) 측을 향하여 직사각형으로 오목하게 파이는 계합 홈(R1)이 형성되어 있다. 단열 절연부(Pm)는, 제2 부분(P2)에 접속되는 판상부(Pm1)와, 판상부(Pm1)의 전연(Ef) 측으로부터 돌출됨으로써 계합 홈(R1)에 계합하는 계합 돌기(Pm2)를 갖고 있다. 제2 부분(P2)은, 상술한 히터(H), 및 부극선(Lb)을 내장하고 있다. 단열 절연부(Pm)는, 제1 부분(P1)과 제2 부분(P2)의 사이에 개재됨으로써, 양자를 열적으로 또한 전기적으로 절연한다.

상기 구성에 의하면, 예를 들면 미리 제1 부분(P1)을 제조한 다음, 별개로 제조된 제2 부분(P2), 및 단열 절연부(Pm)를 사후적으로 제1 부분(P1)에 장착함으로써, 용이하게 정익(60)을 얻을 수 있다. 또한, 기존에 설치된 증기 터빈(1)에 대해서도, 정익 본체(61)의 후연(Er) 측을 절제하고, 당해 절제된 부분에 히터(H) 등을 장착한 후, 제1 부분(P1)에 재차 장착함으로써, 히터(H)를 구비하는 정익(60)을 용이하게 얻을 수 있다.

또, 도 7의 예에서는, 정익 본체(61)에는, 후연(Er)을 따라 뻗음과 함께, 전연(Ef) 측을 향하여 오목하게 파임으로써 히터(H)를 수용하는 수용 홈(R2)이 형성되어 있다. 또, 수용 홈(R2)의 내면과 히터(H)의 사이에는, 단열 절연부(Pm')가 개재되어 있다. 이 구성에 의하면, 보다 간소하고 또한 저렴한 구조하에서, 히터(H)를 정익 본체(61)에 대하여 장착할 수 있다.

도 8의 예에서는, 히터(H)의 적어도 일부를 전열선(Lh)으로 하고, 후연(Er)에 형성된 상기 오목부(R)의 바닥면으로부터 이 전열선(Lh)을 노출시키는 구성을 채용하고 있다. 상기 구성에 의하면, 오목부(R)의 바닥면으로부터 전열선(Lh)이 노출되어 있는 점에서, 오목부(R) 내에 포착된 물방울(W)에 대하여 열을 직접적으로 가할 수 있다. 그 결과, 물방울(W)의 미세화, 또는 부분적인 증발을 더 촉진할 수 있다.

본 발명에 의하면, 습분에 의한 효율 저하를 보다 더 저감시키는 것이 가능한 증기 터빈 날개, 증기 터빈, 및 그 운전 방법을 제공할 수 있다.

1…증기 터빈
2…회전축
3…베어링 장치
4…동익렬
5…케이싱
6…정익렬
8…캐비티
31…저널 베어링
32…스러스트 베어링
40…동익
41…동익 플랫폼
42…동익 본체
43…동익 슈라우드
51…흡기구
52…배기구
60…정익
61…정익 본체
62…정익 슈라우드
6S…정압면
90…정익 지지부
100…제어 장치
101…전류 공급부
102…온도 산출부
103…온도 설정부
Ef…전연
Er…후연
Fm…주류
Ft…맥류
H…히터
L0…리드선
Lb…부극선
Lc…접속선
Lh…전열선
Ls…신호선
O…축선
P1…제1 부분
P2…제2 부분
Pm, Pm'…단열 절연부
Pm1…판상부
Pm2…계합 돌기
R…오목부
R1…계합 홈
R2…수용 홈
Sp…정압 센서
V…중공부
W…물방울

Claims (10)

1. 직경 방향으로 뻗고, 상기 직경 방향에 직교하는 단면 형상이 날개형을 이루는 날개 본체와,
   상기 날개 본체 내에 있어서의 상기 날개형의 후연을 따라 뻗도록 배치된 전열선을 갖는 히터를 구비하고,
   상기 날개 본체는, 만곡된 상태의 판재에 의하여 형성되고, 상기 판재는, 상기 후연과는 반대 측의 단연인 전연이 만곡되어 있는 상태임과 함께, 서로 대향하는 면끼리가 상기 후연 측에서 맞닿아 있는 상태임으로써 상기 날개형을 형성하며,
   상기 전열선은, 상기 대향하는 면끼리의 사이에 협지되어 있는 증기 터빈 날개.
2. 직경 방향으로 뻗고, 상기 직경 방향에 직교하는 단면 형상이 날개형을 이루는 날개 본체와,
   상기 날개 본체 내에 있어서의 상기 날개형의 후연을 따라 뻗도록 배치된 전열선을 갖는 히터를 구비하고,
   상기 날개 본체는, 상기 후연과는 반대 측의 단연인 전연을 포함하는 제1 부분과, 상기 후연을 포함함과 함께 상기 전열선이 마련된 제2 부분과, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 사이에 마련되어, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 사이를 열적으로 또한 전기적으로 절연하는 단열 절연부를 갖는 증기 터빈 날개.
3. 직경 방향으로 뻗고, 상기 직경 방향에 직교하는 단면 형상이 날개형을 이루는 날개 본체와,
   상기 날개 본체 내에 있어서의 상기 날개형의 후연을 따라 뻗도록 배치된 전열선을 갖는 히터를 구비하고,
   상기 날개 본체에는, 상기 후연을 따라 뻗음과 함께, 상기 후연과는 반대 측의 단연인 전연 측을 향하여 오목하게 파임으로써 상기 전열선을 수용하는 수용 홈이 형성되어 있는 증기 터빈 날개.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 후연에는, 상기 직경 방향 내측으로부터 외측을 향하여 간격을 두고 배열됨과 함께, 상기 후연으로부터 전연 측을 향하여 오목하게 파이는 복수의 오목부가 형성되고,
   상기 전열선은, 상기 복수의 오목부에 대응하는 영역에 배치되어 있는 증기 터빈 날개.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 오목부는, 상기 후연 측으로부터 상기 전연 측을 향하여 곡면상으로 오목하게 파이고,
   상기 전열선은, 상기 곡면을 따라 만곡되어 있는 증기 터빈 날개.
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 전열선의 적어도 일부는, 상기 오목부의 바닥면으로부터 노출되어 있는 증기 터빈 날개.
7. 축선 둘레로 회전하는 회전축과,
   상기 회전축의 외주면으로부터 직경 방향 외측을 향하여 뻗음과 함께, 둘레 방향으로 간격을 두고 배열된 복수의 동익과,
   상기 복수의 동익을 외주 측으로부터 덮는 케이싱과,
   상기 케이싱의 내주면에 마련되고, 상기 동익과 축선 방향으로 인접하여 배치된 정익으로서의 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 증기 터빈 날개를 구비하는 증기 터빈.
8. 청구항 7에 기재된 증기 터빈의 운전 방법으로서,
   상기 전열선에 의하여 상기 후연을 미리 정해진 제1 온도까지 가열하는 제1 가열 스텝과,
   상기 증기 터빈을 기동하는 기동 스텝과,
   상기 기동 스텝이 완료되어 상기 증기 터빈이 정상 상태가 된 후에, 상기 제1 온도보다 낮은 온도인 제2 온도에서 상기 후연을 가열하는 제2 가열 스텝을 포함하는 증기 터빈의 운전 방법.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 제2 가열 스텝은,
   상기 케이싱의 내주면에 있어서의 상기 후연보다 하류 측에서 정압을 계측하는 정압 계측 스텝과,
   상기 정압에 근거하여 증기의 포화 온도를 산출하는 포화 온도 산출 스텝과,
   상기 포화 온도보다 높은 온도로서 상기 제2 온도를 설정하는 온도 설정 스텝을 포함하는 증기 터빈의 운전 방법.
10. 삭제