KR20140127328A - 터빈 - Google Patents

Abstract

블레이드(50)의 선단부에는 구조체(10)의 회전축 방향의 상류측을 향하는 단차면(53A 내지 53D)을 갖는 복수의 스텝부(52A 내지 52D)를 설치하고, 구조체에는 상기 복수의 스텝부의 둘레면(54A 내지 54D)을 향해 연장되고, 상기 복수의 스텝부에 대응하는 둘레면과의 사이에 미소 간극(H1 내지 H4)을 형성하는 시일 핀(124A 내지 124D)을 설치한다. 그리고, 구조체의 회전축 방향을 따라서 미소 간극으로부터 상류측의 단차면에 이르는 거리(L1 내지 L4)는 상류측의 스텝부보다도 하류측의 스텝부의 쪽을 작게 설정한다.

Description

터빈 {TURBINE}

본 발명은, 예를 들어 발전 플랜트, 화학 플랜트, 가스 플랜트, 제철소, 선박 등에 사용되는 터빈에 관한 것이다. 본원은 2012년 3월 23일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2012-067893호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

이미 알고 있는 바와 같이, 증기 터빈의 1종으로서, 케이싱과, 케이싱의 내부에 회전 가능하게 설치된 축체(로터)와, 케이싱의 내주부에 고정 배치된 복수의 고정익과, 이들 복수의 고정익의 하류측에 있어서 축체에 방사상으로 설치된 복수의 가동익을 구비한 증기 터빈이 있다. 이와 같은 증기 터빈 중 충동 터빈의 경우는, 증기(유체)의 압력 에너지를 고정익에 의해 속도 에너지로 변환하고, 이 속도 에너지를 가동익에 의해 회전 에너지(기계 에너지)로 변환하고 있다. 또한, 반동 터빈의 경우는 가동익 내에서도 압력 에너지가 속도 에너지로 변환되어, 증기가 분출하는 반동력에 의해 회전 에너지(기계 에너지)로 변환된다.

이러한 종류의 증기 터빈에서는, 가동익의 선단부와, 가동익을 포위하여 증기의 유로를 형성하는 케이싱 사이에 직경 방향의 간극이 형성되고, 또한 고정익의 선단부와 축체 사이에도 직경 방향의 간극이 형성되어 있는 것이 통상이다. 그러나, 가동익 선단부와 케이싱의 간극을 하류측에 통과하는 누설 증기는 가동익에 대해 회전력을 부여하지 않는다. 또한, 고정익 선단부와 축체의 간극을 하류측에 통과하는 누설 증기는 그 압력 에너지가 고정익에 의해 속도 에너지로 변환되지 않으므로, 하류측의 가동익에 대해 회전력을 거의 부여하지 않는다. 따라서, 증기 터빈의 성능 향상을 위해서는, 상기 간극을 통과하는 누설 증기의 유량(누설 유량)을 저감시키는 것이 중요해진다.

종래에는, 예를 들어 특허문헌 1과 같이, 가동익의 선단부에, 축방향 상류측으로부터 하류측을 향해 높이가 점차 높아지는 복수의 스텝부를 설치하고, 케이싱에, 각 스텝부를 향해 연장되는 복수의 시일 핀을 설치하고, 각 스텝부와 각 시일 핀의 선단 사이에 미소 간극을 형성한 구조의 터빈이 제안되어 있다.

이 터빈에서는 상류측으로부터 상기 간극으로 들어간 유체가 스텝부의 단차면에 충돌함으로써, 단차면의 상류측에 주소용돌이가 발생하고, 단차면의 하류측(상기 미소 간극의 상류측 근방)에 박리 소용돌이가 발생한다. 그리고, 미소 간극의 상류측 근방에 발생하는 박리 소용돌이에 의해, 미소 간극을 빠져나가는 누설 흐름의 저감화가 도모되어 있다. 즉, 가동익의 선단부와 케이싱의 간극을 통과하는 누설 유체의 유량(누설 유량)의 저감화가 도모되어 있다.

일본 특허 출원 공개 제2011-080452호 공보(도 6)

그런데, 전술한 바와 같이 복수의 스텝부 및 시일 핀을 설치한 터빈에서는, 가동익 선단부와 케이싱의 간극에 있어서의 유체의 압력(정압)이나 밀도가, 축방향의 상류측으로부터 하류측을 향함에 따라서 작아지므로, 하류측의 미소 간극을 빠져나가는 유체의 유속이, 상류측의 미소 간극을 빠져나가는 유체의 유속보다도 빨라진다.

따라서, 하류측에 위치하는 스텝부에 있어서 발생하는 주소용돌이의 속도(회전 속도)는 상류측에 위치하는 스텝부에 있어서 발생하는 주소용돌이의 속도(회전 속도)보다도 빨라진다. 특히, 주소용돌이 중 단차면을 따라서 직경 방향으로 흐르는 유속이 하류측의 주소용돌이일수록 빠름으로써, 하류측의 스텝부에 있어서 발생하는 박리 소용돌이일수록 직경 방향으로 연장된 형상으로 되어 버린다. 이와 같이 박리 소용돌이의 형상이 연장되어 버리면, 박리 소용돌이 중 시일 핀의 선단측으로부터 스텝부를 향하는 직경 방향으로의 흐름의 속도 성분의 최대 위치가, 시일 핀의 선단으로부터 기단부측으로 이격되므로(미소 간극으로부터 직경 방향으로 이격되므로), 이 박리 소용돌이의 하류측의 미소 간극을 빠져나가는 누설 흐름을 저감시키는 축류 효과가 작아져 버리고, 또한 정압 저감 효과도 작아져 버린다. 그 결과, 종래의 터빈에서는 누설 유량의 저감화에 한계가 생긴다는 과제가 있다.

본 발명은 누설 유량의 저감을 더욱 도모하는 것이 가능한 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제1 형태에 따르면, 터빈은 날개 부재와, 상기 날개 부재의 선단부에 간극을 두고 설치됨과 함께, 상기 날개 부재에 대해 상대 회전하는 구조체를 구비하여, 상기 간극에 유체가 유통되는 터빈이다. 상기 날개 부재의 선단부 및 상기 구조체 중 상기 날개 부재의 선단부에 대향하는 부위 중 어느 한쪽에는, 상기 구조체의 회전축 방향의 상류측을 향하는 단차면을 갖고 다른 쪽으로 돌출되는 복수의 스텝부가, 상기 회전축 방향으로 나란히 설치된다. 상기 다른 쪽에는, 상기 복수의 스텝부의 둘레면을 향해 연장되어, 상기 복수의 스텝부에 대응하는 둘레면과의 사이에 미소 간극을 형성하는 시일 핀이 설치된다. 상기 구조체의 회전축 방향을 따라서 상기 미소 간극으로부터 상류측의 상기 단차면에 이르는 거리는, 적어도 이웃하는 2개이고, 상류측의 스텝부에 비해 하류측의 스텝부의 쪽이 작게 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 터빈에서는 종래의 경우와 마찬가지로, 상류측으로부터 상기 간극으로 들어간 유체가 각 스텝부의 단차면에 충돌함으로써, 단차면의 상류측에는 주소용돌이가 발생한다. 또한, 각 스텝부의 단차면과 둘레면의 코너부(에지)에 있어서 주소용돌이로부터 일부의 흐름이 박리됨으로써, 단차면의 하류측에 위치하는 각 스텝부의 둘레면 상에는, 주소용돌와 반대 방향으로 도는 박리 소용돌이가 발생한다. 이 박리 소용돌이는 시일 핀의 선단으로부터 스텝부의 둘레면을 향하는 다운 플로우를 발생시키므로, 박리 소용돌이가 시일 핀의 선단과 스텝부 사이의 미소 간극을 통과하는 유체의 축류 효과를 발휘한다.

그리고, 이와 같이 발생하는 박리 소용돌이의 직경은 스텝부의 단차면으로부터 그 하류측의 미소 간극에 이르는 상기 거리에 비례하는 경향이 있다. 즉, 상기 거리가 작을수록, 박리 소용돌이의 직경이 작아지는 경향이 있다. 따라서, 상기 터빈에 따르면, 하류측의 스텝부의 단차면과 둘레면의 코너부에 있어서 박리되는 흐름이, 상류측의 스텝부의 단차면과 둘레면의 코너부에 있어서 주소용돌이로부터 박리되는 흐름보다도 빨라도, 하류측의 박리 소용돌이의 직경을 작게 억제할 수 있다.

이와 같이 하류측의 박리 소용돌이의 직경이 작게 억제됨으로써, 하류측의 박리 소용돌이 중 시일 핀의 선단측으로부터 스텝부의 둘레면을 향하는 직경 방향으로의 흐름의 속도 성분의 최대 위치를, 시일 핀의 선단에 근접시킬 수 있다. 이로 인해, 하류측의 박리 소용돌이에 의한 상기 다운 플로우를 강하게 할 수 있고, 그 결과로서, 이 박리 소용돌이의 하류측에 위치하는 미소 간극을 통과하는 유체의 누설 흐름을 작게 할 수 있는, 즉 축류 효과를 향상시킬 수 있다.

또한, 하류측의 박리 소용돌이의 직경이 작게 억제됨으로써, 이 박리 소용돌이 내에 있어서의 정압을 저감시킬 수 있으므로, 이 박리 소용돌이의 하류측에 위치하는 미소 간극의 상류측과 하류측의 차압을 작게 할 수 있다. 즉, 이 차압의 저감에 기초하여 하류측에 위치하는 미소 간극을 빠져나가는 누설 흐름을 작게 하는 정압 저감 효과도 향상시킬 수 있다.

본 발명의 제2 형태에 따르면, 상기 터빈에 있어서는, 상기 거리가, 상기 하류측에 위치하는 상기 스텝부일수록 작게 설정되어 있으면, 더욱 좋다.

상기 터빈에 따르면, 하류측의 박리 소용돌이일수록 그 직경을 작게 억제하는 경향이 강해지므로, 하류측의 미소 간극일수록, 전술한 박리 소용돌이에 의한 축류 효과 및 정압 저감 효과를 효과적으로 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 터빈에 있어서는, 이웃하는 2개의 스텝부 중 적어도 하류측의 스텝부의 상기 단차면에는 상기 둘레면으로 연결되도록, 상기 상류측으로부터 하류측을 향해 경사지는 경사면이 형성되어 있어도 된다.

이 구성에서는, 하류측의 스텝부 중 단차면의 상류측에 발생하는 주소용돌이에 있어서, 하류측의 스텝부의 단차면과 둘레면의 코너부로부터 박리되는 흐름의 방향이, 경사면에 의해 직경 방향에 대해 축방향 하류측으로 기울기 때문에, 하류측의 스텝부의 둘레면 상에 발생하는 박리 소용돌이의 직경을 더욱 작게 억제할 수 있다. 따라서, 전술한 박리 소용돌이에 의한 축류 효과 및 정압 저감 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명의 제3 형태에 따르면, 상기 터빈에 있어서는, 적어도 이웃하는 2개의 상기 스텝부의 상기 단차면에, 상기 경사면이 형성되고, 상기 경사면의 경사 각도는 상기 상류측의 스텝부에 비해 하류측의 스텝부의 쪽이 크게 설정되어 있으면, 더욱 좋다.

이 구성에서는, 이웃하는 2개의 스텝부의 단차면의 둘레면 상에 발생하는 박리 소용돌이의 직경을 작게 할 수 있다. 또한, 하류측의 스텝부에 형성되는 경사면의 경사 각도가, 상류측의 스텝부에 형성되는 경사면의 경사 각도보다도 큰 것에 의해, 하류측의 스텝부의 둘레면 상에 발생하는 박리 소용돌이의 직경을, 상류측의 스텝부의 둘레면 상에 발생하는 박리 소용돌이의 직경보다도 작게 억제하는 경향을 강하게 할 수 있다. 따라서, 전술한 박리 소용돌이에 의한 축류 효과 및 정압 저감 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 복수의 스텝부 및 시일 핀을 설치한 터빈이라도, 하류측에 위치하는 스텝부에 있어서 발생하는 박리 소용돌이에 의한 축류 효과 및 정압 저감 효과를 향상시킬 수 있으므로, 날개 부재(블레이드)의 선단부와 구조체의 간극을 통과하는 누설 유량의 저감을 더욱 도모하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명에 관한 증기 터빈을 도시하는 개략 구성 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하는 도면이며, 도 1에 있어서의 주요부 I를 도시하는 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 증기 터빈의 작용 설명도이다.
도 4a는 도 2에 도시하는 구성에 있어서, 거리(L)와 미소 간극(H)의 종횡비 L/H와, 미소 간극(H)을 통과하는 증기의 유량 계수 Cd의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4b는 도 2에 도시하는 구성에 있어서, 거리(L)와 미소 간극(H)의 종횡비 L/H와, 미소 간극(H)을 통과하는 증기의 유량 계수 Cd의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4c는 도 2에 도시하는 구성에 있어서, 거리(L)와 미소 간극(H)의 종횡비 L/H와, 미소 간극(H)을 통과하는 증기의 유량 계수 Cd의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태를 도시하는 도면이며, 도 1에 있어서의 주요부 I를 도시하는 확대 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 증기 터빈의 작용 설명도이다.

〔제1 실시 형태〕

이하, 도 1 내지 도 4c를 참조하여 본 발명의 제1 실시 형태에 대해 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 증기 터빈(1)은 케이싱(구조체)(10)과, 케이싱(10)에 유입되는 증기(유체)(S)의 양과 압력을 조정하는 조정 밸브(20)와, 케이싱(10)의 내측에 회전 가능하게 설치되어, 동력을 도시하지 않은 발전기 등의 기계로 전달하는 축체(로터)(30)와, 케이싱(10)에 보유 지지된 고정익(40)과, 축체(30)에 설치된 가동익(블레이드)(50)과, 축체(30)를 축 주위로 회전 가능하게 지지하는 베어링부(60)를 구비하여 대략 구성되어 있다.

케이싱(10)은 그 내부 공간을 기밀하게 밀봉하도록 형성되어, 증기(S)의 유로를 구획 형성하는 본체부(11)와, 본체부(11)의 내벽면에 견고하게 고정된 링 형상의 구획판 외륜(12)을 구비하고 있다.

조정 밸브(20)는 케이싱(10)의 본체부(11) 내부에 복수개 설치되어 있고, 각각 도시하지 않은 보일러로부터 증기(S)가 유입되는 조정 밸브실(21)과, 밸브체(22)와, 밸브 시트(23)와, 증기실(24)을 구비하고 있다. 이 조정 밸브(20)에서는 밸브체(22)가 밸브 시트(23)로부터 이격됨으로써 증기 유로가 개방되고, 이에 의해, 증기(S)가 증기실(24)을 통해 케이싱(10)의 내부 공간으로 유입되도록 되어 있다.

축체(30)는 축 본체(31)와, 축 본체(31)의 외주로부터 직경 방향 외측으로 연장된 복수의 디스크(32)를 구비하고 있다. 이 축체(30)는 회전 에너지를, 도시하지 않은 발전기 등의 기계로 전달하도록 되어 있다.

또한, 베어링부(60)는 저널 베어링 장치(61) 및 스러스트 베어링 장치(62)를 구비하고 있고, 케이싱(10)의 본체부(11) 내부에 삽입 관통된 축체(30)를 본체부(11)의 외측에 있어서 회전 가능하게 지지하고 있다.

고정익(40)은 축체(30)를 포위하도록 방사상으로 다수 배치되어 환상 고정익군을 구성하고 있고, 각각 전술한 구획판 외륜(12)에 보유 지지되어 있다. 즉, 고정익(40)은 각각 구획판 외륜(12)으로부터 직경 방향 내측으로 연장되어 있다.

고정익(40)의 연장 방향의 선단부는 허브 슈라우드(41)에 의해 구성되어 있다. 이 허브 슈라우드(41)는 동일한 환상 고정익군을 이루는 복수의 고정익(40)을 연결하도록 링 형상으로 형성되어 있다. 허브 슈라우드(41)에는 축체(30)가 삽입 관통되어 있지만, 허브 슈라우드(41)는 축체(30)와의 사이에 직경 방향의 간극을 두고 배치되어 있다.

그리고, 복수의 고정익(40)을 포함하는 환상 고정익군은 케이싱(10)이나 축체(30)의 회전축 방향(이하, 축방향으로 기재함)으로 간격을 두고 6개 형성되어 있고, 증기(S)의 압력 에너지를 속도 에너지로 변환하여, 축방향 하류측에 인접하는 가동익(50)측으로 안내하도록 되어 있다.

가동익(50)은 축체(30)를 구성하는 디스크(32)의 외주부에 견고하게 설치되어, 축체(30)로부터 직경 방향 외측으로 연장되어 있다. 이 가동익(50)은 각 환상 고정익군의 하류측에 있어서, 방사상으로 다수 배치되어 환상 가동익군을 구성하고 있다.

전술한 환상 고정익군과 상기 환상 가동익군은 1조 1단으로 되어 있다. 즉, 증기 터빈(1)은 6단으로 구성되어 있다. 이들 가동익(50)의 선단부는 주위 방향으로 연장되는 팁 슈라우드(51)로 되어 있다.

가동익(50)의 선단부를 이루는 팁 슈라우드(51)는, 도 2에 도시한 바와 같이 케이싱(10)의 구획판 외륜(12) 사이에 직경 방향의 간극을 두고 대향 배치되어 있다. 그리고, 팁 슈라우드(51)에는 단차면[53(53A 내지 53D)]을 갖고 구획판 외륜(12)측으로 돌출되는 4개의 스텝부[52(52A 내지 52D)]가, 축체(30)의 축방향으로 나란히 설치되어 있다.

가동익(50)으로부터 4개의 스텝부(52A 내지 52D)의 외주면(둘레면)([54A 내지 54D(54)]에 이르는 4개의 스텝부(52A 내지 52D)의 돌출 높이는 축방향의 상류측으로부터 하류측을 향함에 따라서 점차 높아지도록 설정되어 있다. 이에 의해, 각 스텝부(52)의 단차면(53)은 축방향의 상류측을 향하고 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 각 스텝부(52)의 단차면(53)이 직경 방향에 평행하고 있고, 4개의 단차면(53A 내지 53D)의 높이가 동일하게 설정되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는 각 스텝부(52)의 외주면(54)이 축방향에 평행하고 있다.

한편, 구획판 외륜(12)에는 팁 슈라우드(51)에 대응하는 부위에 주위 방향으로 연장되는 환상 홈(121)이 형성되어 있고, 본 실시 형태에서는 환상 홈(121)이 구획판 외륜(12)의 내주면으로부터 직경 방향 외측으로 오목하게 형성되어 있다. 전술한 팁 슈라우드(51)는 이 환상 홈(121) 내에 들어가도록 배치되어 있다.

그리고, 전술한 4개의 스텝부(52A 내지 52D)에 대향하도록 직경 방향 내측을 향하는 환상 홈(121)의 저부에는 5개의 환상 오목부[122(122A 내지 122E)]가 축방향으로 나란히 형성되어 있다. 그리고, 축방향의 상류측에 위치하는 4개의 환상 오목부(122A 내지 122D)는 상류측으로부터 하류측을 향하고, 단차에 의해 점차 직경 확장하여 형성되어 있다. 한편, 가장 하류측에 위치하는 1개의 환상 오목부(122E)는 상류측에 이웃하는 4단째의 환상 오목부(122D)보다도 직경 축소하여 형성되어 있다.

또한, 축방향에 이웃하는 2개의 환상 오목부(122, 122)의 경계에 위치하는 각 단부 테두리부(에지부)[123(123A 내지 123D)]에는 팁 슈라우드(51)를 향해 직경 방향 내측으로 연장되는 시일 핀[124(124A 내지 124D)]이 설치되어 있다. 이들 단부 테두리부(123) 및 시일 핀(124)의 축방향 위치는 각 스텝부(52)의 외주면(54)에 대향하도록 설정되어 있다. 구체적으로 설명하면, 4개의 시일 핀(124A 내지 124D)은 축방향으로 간격을 두고 배열되고, 4개의 스텝부(52A 내지 52D)에 1:1로 대응하도록 설치되어 있다. 그리고, 본 실시 형태에서는 4개의 시일 핀(124A 내지 124D)이 축방향으로 등간격으로 배열되어 있다.

또한, 상류측에 위치하는 3개의 시일 핀(124A 내지 124C)은 각 시일 핀(124) 중 하류측을 향하는 면과 각 시일 핀(124)의 하류측에 위치하는 환상 오목부[122(122B 내지 122D)]의 상류측의 내측면[125(125B 내지 125D)]이 동일 평면을 이루도록 배치되어 있다. 한편, 가장 하류에 위치하는 1개의 시일 핀(124D)[제4 시일 핀(124D)]은 제4 시일 핀(124D) 중 상류측을 향하는 면과 제4 시일 핀(124D)의 상류측에 위치하는 환상 오목부(122D)의 하류측의 내측면(125E)이 동일 평면을 이루도록 배치되어 있다.

그리고, 각 스텝부(52)의 외주면(54)과 각 시일 핀(124)의 선단 사이에는 직경 방향의 미소 간극[H(H1 내지 H4)]이 구획 형성되어 있다. 미소 간극(H)의 각 치수는 케이싱(10)이나 가동익(50)의 열 신장량, 가동익(50)의 원심 신장량 등을 고려한 후, 양자가 접촉하지 않는 안전한 범위에서, 최소의 것으로 설정되어 있다. 그리고, 본 실시 형태에서는 4개의 미소 간극(H1 내지 H4)의 치수가 동일하게 설정되어 있다.

또한, 본 실시 형태에서는 축방향을 따라서 각 미소 간극(H)[각 시일 핀(124)]으로부터 상류측에 위치하는 스텝부(52)의 단차면(53)에 이르는 거리(L)[각 미소 간극(H)으로부터 상류측의 단차면(53)에 이르는 각 스텝부(52)의 외주면(54)의 길이 치수(L)]가, 하류측에 위치하는 스텝부(52)일수록 작아지도록 설정되어 있다.

즉, 가장 상류측에 위치하는 1단째의 스텝부(52A)의 외주면(54A) 상의 제1 미소 간극(H1)으로부터 1단째의 스텝부(52A)의 단차면(53A)에 이르는 축방향의 거리(L1)[제1 거리(L1)]와, 2단째의 스텝부(52B)의 외주면(54B) 상의 제2 미소 간극(H2)으로부터 2단째의 스텝부(52B)의 단차면(53B)에 이르는 축방향의 거리(L2)[제2 거리(L2)]와, 3단째의 스텝부(52C)의 외주면(54C) 상의 제3 미소 간극(H3)으로부터 3단째의 스텝부(52C)의 단차면(53C)에 이르는 축방향의 거리(L3)[제3 거리(L3)]와, 4단째의 스텝부(52D)의 외주면(54D) 상의 제4 미소 간극(H4)으로부터 4단째의 스텝부(52D)의 단차면(53D)에 이르는 축방향의 거리(L4)[제4 거리(L4)]의 관계는 이하의 식 1을 만족시킨다.

[식 1]

또한 바꿔 말하면, 본 실시 형태에서는, 상기 거리(L)와 미소 간극(H)의 종횡비 L/H가, 하류측에 위치하는 스텝부(52)일수록 작아지도록 설정되어 있다.

그리고, 이상과 같이 시일 핀(124)이 설치됨으로써, 팁 슈라우드(51)와 구획판 외륜(12) 사이에는 4개의 캐비티[C(C1 내지 C4)]가 축방향으로 배열되어 형성되어 있다. 각 캐비티(C)는 각 스텝부(52)에 대응하는 시일 핀(124)과, 이 시일 핀(124)에 대해 축방향 상류측에 대향하는 격벽 사이에 형성되어 있다.

구체적으로 설명하면, 축방향의 가장 상류측에 형성되는 제1 캐비티(C1)는 1단째의 스텝부(52A)에 대응하는 제1 시일 핀(124A)과, 제1 시일 핀(124A)의 축방향 상류측에 대향하는 1단째의 환상 오목부(122A)의 상류측의 내측면(125A) 사이에 형성되어 있다.

또한, 제1 캐비티(C1)의 하류측에 이웃하는 제2 캐비티(C2)는 2단째의 스텝부(52B)에 대응하는 제2 시일 핀(124B)과, 제2 시일 핀(124B)의 축방향 상류측에 대향하는 제1 시일 핀(124A) 및 2단째의 환상 오목부(122B)의 상류측의 내측면(125B) 사이에 형성되어 있다.

또한, 제2 캐비티(C2)의 하류측에 이웃하는 제3 캐비티(C3)는 제2 캐비티(C2)의 경우와 마찬가지로, 3단째의 스텝부(52C)에 대응하는 제3 시일 핀(124C)과, 제2 시일 핀(124B) 및 3단째의 환상 오목부(122C)의 상류측의 내측면(125C) 사이에 형성되어 있다.

또한, 제3 캐비티(C3)에 이웃하는 제4 캐비티(C4)는 4단째의 스텝부(52D)에 대응하는 제4 시일 핀(124D) 및 4단째의 환상 오목부(122D)의 하류측의 내측면(125E)과, 제4 시일 핀(124D)의 축방향 상류측에 대향하는 제3 시일 핀(124C) 및 4단째의 환상 오목부(122D)의 상류측의 내측면(125D) 사이에 형성되어 있다.

또한, 본 실시 형태에서는 각 캐비티(C) 중, 각 환상 오목부(122)의 저면(직경 방향 내측을 향하는 면)과, 각 환상 오목부(122)의 내측면(125)이나 시일 핀(124)의 코너부가, 둥그스름하게 형성되어 있다. 이에 의해, 각 환상 오목부(122)의 저면과, 환상 오목부(122)의 내측면(125)이나 시일 핀(124)의 축방향 상류측, 하류측의 면이 매끄럽게 연결되어 있다. 이와 같이 캐비티(C)의 코너부가 둥그스름해짐으로써, 후술하는 바와 같이, 캐비티(C) 내에 발생하는 주소용돌이 MV의 형상에 근접하므로, 캐비티(C)의 코너부에 있어서의 주소용돌이 MV의 에너지 손실을 작게 억제할 수 있다(도 3 참조).

또한, 본 실시 형태에서는, 전술한 거리(L)를 제외하고 4개의 캐비티(C1 내지 C4)의 각 부 치수가 동일하게 설정되어 있다. 예를 들어, 시일 핀(124)으로부터 그 축방향 상류측에 대향하는 격벽에 이르는 축방향 거리[캐비티(C)의 축방향 치수 W(W1 내지 W4)]나, 환상 오목부(122)의 저면으로부터 스텝부(52)의 단차면(53)의 하단부(직경 방향 내측 단부)에 이르는 직경 방향 거리[캐비티의 직경 방향 치수 D(D1 내지 D4)]가, 4개의 캐비티(C1 내지 C4)에서 동일하게 설정되어 있다. 또한, 각 캐비티(C)의 직경 방향 치수 D와 축방향 치수 W의 비 D/W(캐비티의 종횡비 D/W)는, 후술하는 바와 같이, 동일한 캐비티(C) 내에 발생하는 박리 소용돌이 SV의 크기가 주소용돌이 MV보다도 작아지도록, 1.0에 근접하도록 설정되는 것이 바람직하다(도 3 참조).

다음에, 상술한 구성의 증기 터빈(1)의 동작에 대해 설명한다.

우선, 조정 밸브(20)(도 1 참조)를 개방 상태로 하면, 도시하지 않은 보일러로부터 증기(S)가 케이싱(10)의 내부 공간으로 유입된다.

케이싱(10)의 내부 공간으로 유입된 증기(S)는 각 단에 있어서의 환상 고정익군과 환상 가동익군을 순차 통과한다. 이때에는, 압력 에너지가 고정익(40)에 의해 속도 에너지로 변환되어, 고정익(40)을 거친 증기(S) 중 대부분이 동일한 단을 구성하는 가동익(50) 사이에 유입되고, 가동익(50)에 의해 증기(S)의 속도 에너지가 회전 에너지로 변환되어, 축체(30)에 회전이 부여된다. 한편, 증기(S) 중 일부(예를 들어, 수％)는 고정익(40)으로부터 유출된 후, 도 3에 도시한 바와 같이, 환상 홈(121) 내[가동익(50)의 팁 슈라우드(51)와 케이싱(10)의 구획판 외륜(12)의 간극]로 유입되는, 소위 누설 증기가 된다.

여기서, 환상 홈(121) 내에 유입된 증기(S)는, 우선, 제1 캐비티(C1)에 유입됨과 함께 1단째의 스텝부(52A)의 단차면(53A)에 충돌하여, 상류측으로 복귀되도록 흐른다.

이에 의해, 제1 캐비티(C1) 내에는 반시계 방향(제1 회전 방향)으로 도는 주소용돌이 MV1이 발생한다.

그때, 특히 1단째의 스텝부(52A)의 단차면(53A)과 외주면(54A)의 코너부(에지)에 있어서, 주소용돌이 MV1로부터 일부의 흐름이 박리됨으로써, 1단째의 스텝부(52A)의 외주면(54A) 상에는 주소용돌이 MV1과 반대의 시계 방향(제2 회전 방향)으로 도는 박리 소용돌이 SV1이 발생한다.

이 박리 소용돌이 SV1은 1단째의 스텝부(52A)와 제1 시일 핀(124A) 사이의 제1 미소 간극(H1)의 상류측 근방에 위치하고 있다. 특히, 박리 소용돌이 SV1 중 직경 방향 내측을 향하는 다운 플로우가 제1 미소 간극(H1)의 직전에 발생하므로, 제1 캐비티(C1)로부터 제1 미소 간극(H1)을 통해 하류측의 제2 캐비티(C2)로 유입되는 누설 흐름을 저감시키는 축류 효과가, 상기 박리 소용돌이 SV1에 의해 얻어진다.

그리고, 증기(S)가, 제1 캐비티(C1)로부터 제1 미소 간극(H1)을 빠져나가 제2 캐비티(C2) 내로 유입되면, 2단째의 스텝부(52B)의 단차면(53B)에 충돌하여, 상류측으로 복귀되도록 흐른다. 이에 의해, 제2 캐비티(C2) 내에는 제1 캐비티(C1)에 발생하는 주소용돌이 MV1과 동일한 제1 회전 방향으로 도는 주소용돌이 MV2가 발생한다.

또한, 2단째의 스텝부(52B)의 단차면(53B)과 외주면(54B)의 코너부에 있어서 주소용돌이 MV2로부터 일부의 흐름이 박리됨으로써, 2단째의 스텝부(52B)의 외주면(54B) 상에는 주소용돌이 MV2와 반대 방향(제2 회전 방향)으로 도는 박리 소용돌이 SV2가 발생한다.

또한, 증기(S)가 제2 미소 간극(H2)을 통과하여 제3 캐비티(C3) 내에 유입되면, 제1, 제2 캐비티(C1, C2)의 경우와 마찬가지로, 3단째의 스텝부(52C)의 단차면(53C)에 충돌하여 상류측으로 복귀되도록 흐르고, 제3 캐비티(C3) 내에는 제1 회전 방향으로 도는 주소용돌이 MV3이 발생한다. 또한, 3단째의 스텝부(52C)의 외주면(54C) 상에는 제2 회전 방향으로 도는 박리 소용돌이 SV3이 발생한다.

마찬가지로 하여, 증기(S)가 제3 미소 간극(H3)을 통과하여 제4 캐비티(C4) 내로 유입되면, 4단째의 스텝부(52D)의 단차면(53D)에 충돌함으로써, 제4 캐비티(C4) 내에는 제1 회전 방향으로 도는 주소용돌이 MV4가 발생한다. 또한, 4단째의 스텝부(52D)의 외주면(54D) 상에는 제2 회전 방향으로 도는 박리 소용돌이 SV4가 발생한다.

여기서, 팁 슈라우드(51)와 구획판 외륜(12)의 간극에 있어서의 증기(S)의 압력(정압)이나 밀도는 종래의 경우와 마찬가지로, 축방향의 상류측으로부터 하류측을 향할수록 작아지므로, 각 미소 간극[H(H1 내지 H3)]으로부터 하류측의 캐비티[C(C2 내지 C4)]로 들어가는 증기(S)의 유속이나, 하류측의 캐비티[C(C2 내지 C4)] 내에 발생하는 주소용돌이 MV(MV2 내지 MV4)의 속도(회전 속도)가 빨라진다. 특히, 하류측에 있어서 발생하는 주소용돌이 MV(MV2 내지 MV4)일수록, 단차면(53)을 따라서 직경 방향 외측을 향해 흐르는 유속이 빨라지므로, 하류측의 스텝부(52)의 외주면(54) 상에 발생하는 박리 소용돌이 SV(예를 들어, 박리 소용돌이 SV2 내지 SV4)의 직경은 상류측의 스텝부(52)의 외주면(54) 상에 발생하는 박리 소용돌이 SV(예를 들어, 박리 소용돌이 SV1)의 직경보다도 커질 우려가 있다.

이에 대해, 본 실시 형태에서는 축방향을 따라서 미소 간극(H)으로부터 상류측의 단차면(53)에 이르는 거리[L(L1 내지 L4)]가, 전술한 식 1을 만족시키도록 설정되어 있다. 그리고, 이 거리(L)(종횡비 L/H)가 작을수록, 스텝부(52)의 외주면(54) 상에 형성되는 박리 소용돌이 SV의 직경은 작아지는 경향이 있으므로, 하류측의 박리 소용돌이 SV2 내지 SV4의 직경을 작게 억제할 수 있다.

따라서, 본 실시 형태에 관한 증기 터빈(1)에 따르면, 하류측의 박리 소용돌이 SV2 내지 SV4의 직경이 작게 억제됨으로써, 하류측의 박리 소용돌이 SV2 내지 SV4 중 시일 핀(124B 내지 124D)의 선단측으로부터 스텝부(52B 내지 52D)의 외주면(54B 내지 54D)을 향하는 직경 방향 내측으로의 흐름의 속도 성분의 최대 위치를, 시일 핀(124B 내지 124D)의 선단에 근접시킬 수 있다. 이로 인해, 하류측의 박리 소용돌이 SV2 내지 SV4 중 미소 간극(H2 내지 H4)의 직전에 발생하는 다운 플로우를 강하게 할 수 있다. 그 결과로서, 하류측에 위치하는 미소 간극(H2 내지 H4)을 통과하는 증기(S)의 누설 흐름을 작게 억제할 수 있는, 즉 축류 효과를 향상시킬 수 있다.

또한, 하류측의 박리 소용돌이 SV2 내지 SV4의 직경이 작게 억제됨으로써, 이 박리 소용돌이 SV2 내지 SV4 내의 정압을 저감시킬 수 있으므로, 박리 소용돌이 SV2 내지 SV4의 하류측에 위치하는 미소 간극(H2 내지 H4)의 상류측과 하류측의 차압을 작게 할 수 있다. 예를 들어, 제3 캐비티(C3) 내의 박리 소용돌이 SV3의 직경이 작게 억제됨으로써, 상류측의 제3 캐비티(C3) 내에 있어서의 정압과, 하류측의 제4 캐비티(C4)에 있어서의 정압의 정압차를 작게 할 수 있다. 따라서, 이 차압의 저감에 기초하여 하류측에 위치하는 미소 간극(H2 내지 H4)을 빠져나가는 누설 흐름을 작게 하는 정압 저감 효과도 향상시킬 수 있다.

특히, 본 실시 형태에서는, 거리[L(L1 내지 L4)]가 전술한 식 1을 만족시키도록 설정되어 있음으로써, 하류측의 박리 소용돌이 SV일수록 그 직경을 작게 억제하는 경향이 강해지므로, 하류측의 미소 간극(H)일수록, 전술한 박리 소용돌이 SV에 의한 축류 효과 및 정압 저감 효과를 효과적으로 향상시킬 수 있다.

이상으로부터, 본 실시 형태의 증기 터빈(1)에 따르면, 가동익(50)의 팁 슈라우드(51)와 케이싱(10)의 구획판 외륜(12)의 간극을 통과하는 누설 유량의 저감을 도모하는 것이 가능하다.

또한, 상술한 효과는, 도 4a 내지 도 4c에 도시한 바와 같이 발명자가 실시한 실험의 결과로부터도 명백하다.

도 4a 내지 도 4c에 나타내는 각 그래프는 동일한 스텝부(52)에 있어서의 종횡비 L/H와, 대응하는 미소 간극(H)을 통과하는 증기(S)의 유량 계수 Cd의 관계를, 제2 미소 간극(H2)[2단째의 스텝부(52B)], 제3 미소 간극(H3)[3단째의 스텝부(52C)] 및 제4 미소 간극(H4)[4단째의 스텝부(52D)]에 대해 실험한 결과이다. 이 그래프에서는 유량 계수 Cd가 작을수록, 미소 간극(H)을 통과하는 증기(S)의 유량이 작은 것을 나타내고 있다.

이 그래프에 따르면, 각 미소 간극(H2 내지 H4)에 대해, 유량 계수 Cd를 최소로 하는 종횡비 L/H의 최적값이 존재하는 것을 알 수 있다. 그리고, 제2 미소 간극(H2)에 있어서의 종횡비 L/H의 최적값은 3.0이고(도 4a 참조), 제3 미소 간극(H3)에 있어서의 종횡비 L/H의 최적값은 2.5이다(도 4b 참조). 또한, 제4 미소 간극(H4)에 있어서의 종횡비 L/H의 최적값은 2.2이다(도 4c 참조). 즉, 하류측에 위치하는 미소 간극(H)일수록, 유량 계수 Cd를 최소로 하는 종횡비 L/H의 최적값이 작아진다는, 바꿔 말하면, 최적의 거리(L)가 작아진다는 것을 알 수 있다.

또한, 상기 제1 실시 형태의 구성에서는 4개의 캐비티(C)의 크기가 하류측일수록 작아지지 않도록, 구획판 외륜(12)에, 4개의 스텝부(52A 내지 52D)에 대응시켜 5개의 환상 오목부(122A 내지 122E)[특히, 상류측의 4개의 환상 오목부(122A 내지 122D)]가 형성되어 있다. 이로 인해, 특히 하류측의 캐비티(C)[예를 들어, 제3 캐비티(C3)나 제4 캐비티(C4)]에 있어서의 상기 거리(L)를 미소하고 또한 고정밀도로 설정하지 않아도, 동일한 캐비티(C) 내에 발생하는 박리 소용돌이 SV의 크기를, 용이하게 주소용돌이 MV의 크기보다도 작게 하는 것이 가능하다.

또한, 상기 제1 실시 형태의 구성에서는 각 스텝부(52)의 단차면(53)이 직경 방향으로 평행하고 있는, 즉, 후술하는 제2 실시 형태의 구성과 같이 경사져 있지 않으므로, 팁 슈라우드(51)의 축방향의 치수를 용이하게 짧게 설정하는 것도 가능하다.

〔제2 실시 형태〕

다음에, 도 5, 도 6을 참조하여 본 발명의 제2 실시 형태에 대해 설명한다.

이 실시 형태에서는 제1 실시 형태의 증기 터빈(1)과 비교하여, 각 스텝부(52)의 형상만이 다르고, 그 밖의 구성에 대해서는 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 본 실시 형태에서는 제1 실시 형태와 동일한 구성 요소에 대해 동일 부호를 부여하는 것 등을 하고, 그 설명을 생략한다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 각 스텝부[52(52A 내지 52D)]의 단차면[53(53A 내지 53D)]에는 동일한 스텝부(52)의 외주면[54(54A 내지 54D)]에 연결되도록, 상류측으로부터 하류측을 향해 경사지는 경사면[56(56A 내지(56D)]이 형성되어 있다.

또한, 4개의 경사면(56A 내지 56D)은 직경 방향에 대한 경사 각도(θ1 내지 θ4)가, 하류측을 향할수록 크게 설정되어 있다.

즉, 4개의 스텝부[52(52A 내지 52D)] 중 가장 상류측에 위치하는 1단째의 스텝부(52A)의 단차면(53A)에 형성된 경사면(56A)의 경사 각도(θ1), 2단째의 스텝부(52B)의 단차면(53B)에 형성된 경사면(56B)의 경사 각도(θ2), 3단째의 스텝부(52C)의 단차면(53C)에 형성된 경사면(56C)의 경사 각도(θ3) 및 4단째의 스텝부(52D)의 단차면(53D)에 형성된 경사면(56D)의 경사 각도(θ4)는,

[식 2]

를 만족시키도록 설정되어 있다.

또한, 도시예에서는, 각 경사면(56)이 각 단차면(53)의 전체에 형성되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 동일한 스텝부(52)의 외주면(54)에 연결되는 단차면(53)의 상단부 부분(직경 방향 외측 단부 부분)에만 형성되고, 단차면(53)의 하단부 부분(직경 방향 내측 단부 부분)은 직경 방향에 평행하고 있어도 된다.

이상과 같이 구성되는 본 실시 형태의 증기 터빈에 있어서, 도 6에 도시한 바와 같이, 증기(S)가 환상 홈(121) 내로 유입된 경우에는, 제1 실시 형태의 경우와 마찬가지로, 각 캐비티[C(C1 내지 C4)] 내에는 제1 회전 방향으로 도는 주소용돌이 MV(MV1 내지 MV4) 및 제2 회전 방향으로 도는 박리 소용돌이 SV(SV1 내지 SV4)가 발생한다.

따라서, 이 실시 형태의 증기 터빈(1)에 따르면, 제1 실시 형태와 동일한 효과를 발휘한다.

또한, 본 실시 형태에서는 각 스텝부(52)의 단차면(53)에 경사면(56)이 형성되어 있음으로써, 각 캐비티(C) 내에 발생하는 주소용돌이 MV에 있어서, 각 스텝부(52)의 단차면(53)과 외주면(54)의 코너부로부터 박리되는 흐름의 방향이, 경사면(56)에 의해 직경 방향에 대해 축방향 하류측으로 기울게 된다. 이에 의해, 각 스텝부(52)의 외주면(54) 상에 발생하는 박리 소용돌이 SV의 직경을 작게 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는 하류측의 스텝부(52B 내지 52D)에 형성되는 경사면(56B 내지 56D)의 경사 각도(θ2 내지 θ4)가, 상류측의 스텝부(52A)에 형성되는 경사면(56A)의 경사 각도(θ1)보다도 큰 것에 의해, 하류측의 스텝부(52B 내지 52D)의 외주면(54B 내지 54D) 상에 발생하는 박리 소용돌이 SV2 내지 SV4의 직경을, 상류측의 스텝부(52A)의 외주면(54A) 상에 발생하는 박리 소용돌이 SV1의 직경보다도 작게 억제하는 경향을 강화하는 것이 가능하다.

이상으로부터, 하류측의 박리 소용돌이 SV2 내지 SV4에 의한 축류 효과 및 정압 저감 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

특히, 본 실시 형태에서는, 경사 각도(θ1 내지 θ4)가 전술한 식 2를 만족시키도록 설정되어 있음으로써, 하류측의 박리 소용돌이 SV일수록 그 직경을 작게 억제하는 경향이 강해지므로, 하류측의 미소 간극(H)일수록, 전술한 박리 소용돌이 SV에 의한 축류 효과 및 정압 저감 효과를 보다 효과적으로 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 실시 형태의 증기 터빈(1)에 따르면, 가동익(50)의 팁 슈라우드(51)와 케이싱(10)의 구획판 외륜(12)의 간극을 통과하는 누설 유량을, 제1 실시 형태의 경우와 비교하여, 더욱 저감시키는 것이 가능하다.

또한, 상기 제2 실시 형태에 있어서, 각 경사면(56)은 각각의 경사 각도를 일정하게 한 단면 직선 형상으로 형성되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들어 각 스텝부(52)의 외주면(54)에 근접함에 따라서 직경 방향에 대한 경사 각도가 변화되는 단면 원호 형상으로 형성되어도 된다. 또한, 각 경사면(56)은 이들 단면 직선 형상의 부분과 단면 원호 형상의 부분을 적절히 조합하여 형성되어도 된다.

이와 같이, 경사면(56)의 일부 혹은 전체가 단면 원호 형상으로 형성되면, 단차면(53)을 따르는 주소용돌이 MV의 흐름이 매끄러워지므로, 주소용돌이 MV의 에너지 손실을 작게 억제할 수 있다.

또한, 이와 같이 경사면(56)이 단면 원호 형상의 부분을 갖는 구성에 있어서, 단면 원호 형상의 부분이 외주면(54)으로 연결되는 경우에는, 단면 원호 형상의 부분과 외주면(54)의 코너부에 있어서의 단면 직경 방향과 면 원호 형상의 부분의 상대적인 각도를, 직경 방향에 대한 경사면(56)의 경사 각도로서 설정하면 된다. 또한, 경사면(56)의 단면 직선 형상의 부분이 외주면(54)에 연결되는 경우에는, 상기 제2 실시 형태의 경우와 마찬가지로, 직경 방향과 단면 직선 형상의 부분의 상대적인 각도를, 직경 방향에 대한 경사면(56)의 경사 각도로서 설정하면 된다.

또한, 경사면(56)의 일부 혹은 전체를 단면 원호 형상으로 하는 경우에는, 경사면(56)을 따라서 흐르는 유체의 발생을 방지하는 관점에서는, 직경 방향에 대한 경사 각도가 점차 작아지는 단면 원호 형상의 쪽이, 경사 각도가 점차 커지는 단면 원호 형상보다도 바람직하다.

또한, 상기 제2 실시 형태와 같이, 4개의 경사면(56A 내지 56D)의 경사 각도는 식 2를 만족시키도록 설정되는 것으로 한정되지 않고, 적어도 이웃하는 2개의 스텝부(52, 52)에 있어서, 경사면(56)의 경사 각도가 상류측의 스텝부(52)에 비해 하류측의 스텝부(52)의 쪽이 크게 설정되어 있으면 된다.

예를 들어, 3단째의 스텝부(52C)의 경사면(56C)의 경사 각도(θ3)[제3 경사 각도(θ3)]를, 2단째의 스텝부(52B)의 경사면(56B)의 경사 각도(θ2)[제2 경사 각도(θ2)]보다도 작게 설정한 경우, 전술한 제2 경사 각도(θ2)를, 1단째의 스텝부(52A)의 경사면(56A)의 제1 경사 각도(θ1)에 대해 동등 이상으로 설정하거나, 4단째의 스텝부(52D)의 경사면(56D)의 제4 경사 각도(θ4)를, 전술한 제3 경사 각도(θ3)에 대해 동등 이상으로 설정해도 된다.

또한, 상기 제2 실시 형태에서는 경사면(56)이, 모든 단차면(53)에 형성되어 있지만, 적어도 이웃하는 2개의 스텝부(52, 52) 중 하류측의 스텝부(52)의 단차면(53)에 형성되어 있으면 된다.

예를 들어, 3단째의 스텝부(52C)의 단차면(53C)에만 경사면(56C)을 형성하고, 다른 스텝부(52A, 52B, 52D)의 단차면(53A, 53B, 53D)에는 경사면(56C)이 형성되어 있지 않아도 된다. 또한, 예를 들어 1단째, 3단째의 스텝부(52A, 52C)의 단차면(53A, 53C)에만 경사면(56A, 56C)을 형성하고, 2단째, 4단째의 스텝부(52B, 52D)의 단차면(53B, 53D)에는 경사면(56B, 56D)이 형성되어 있지 않아도 된다.

이상, 본 발명의 상세에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시 형태로 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경을 추가할 수 있다.

예를 들어, 4개의 미소 간극(H1 내지 H4)의 치수는 상기 실시 형태와 같이 최소가 되도록 동일하게 설정되는 것이 바람직하지만, 서로 달라도 상관없다. 또한, 이 경우에는 거리(L)와 미소 간극(H)의 종횡비 L/H가 하류측의 것일수록 작아지도록 4개의 거리(L1 내지 L4)를 설정하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 축방향을 따라서 각 미소 간극(H)[각 시일 핀(124)]으로부터 상류측에 위치하는 스텝부(52)의 단차면(53)에 이르는 거리(L)는, 전술한 식 1을 만족시키도록 설정되는 것으로 한정되지 않고, 적어도 이웃하는 2개이고, 상류측의 스텝부(52)에 대해 하류측의 스텝부(52)의 쪽이 작게 설정되어 있으면 된다.

구체적으로 설명하면, 예를 들어 제3 미소 간극(H3)으로부터 3단째의 스텝부(52C)의 단차면(53C)에 이르는 제3 거리(L3)를, 제2 미소 간극(H2)으로부터 2단째의 스텝부(52B)의 단차면(53B)에 이르는 제2 거리(L2)보다도 작게 설정한 경우, 전술한 제2 거리(L2)를, 제1 미소 간극(H1)으로부터 1단째의 스텝부(52A)의 단차면(53A)에 이르는 제1 거리(L1)에 대해 동등 이상으로 설정하거나, 제4 미소 간극(H4)으로부터 4단째의 스텝부(52D)의 단차면(53D)에 이르는 제4 거리(L4)를, 전술한 제3 거리(L3)에 대해 동등 이상으로 설정해도 된다.

또한, 상기 실시 형태에서는 4개의 단차면(53A 내지 53D)의 높이가 동일하게 설정되어 있지만, 동일하지 않아도 된다.

또한, 상기 실시 형태에서는 4개의 시일 핀(124A 내지 124D)이 축방향으로 등간격으로 배열되어 있지만, 등간격이 아니어도 된다.

또한, 상기 실시 형태에서는 각 캐비티(C)의 일부의 코너부가 둥그스름하게 되어 있지만, 예를 들어 모든 코너부가 둥그스름하게 되어 있어도 되고, 예를 들어 모든 코너부가 둥그스름하게 되어 있지 않아도 된다.

또한, 상기 실시 형태에서는 환상 홈(121)의 저부에, 단차에 의해 점차 직경 확장된 4개의 환상 오목부(122A 내지 122D)와, 4단째의 환상 오목부(122D)보다도 직경 축소된 5단째의 환상 오목부(122E)를 형성하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들어 환상 홈(121)의 저부를 대략 동일 직경으로 형성해도 상관없다. 이 경우에는, 4개의 캐비티(C1 내지 C4)의 크기가, 하류측을 향함에 따라서 작아진다.

또한, 상기 실시 형태에서는 거리(L)를 제외하고 4개의 캐비티(C1 내지 C4)의 각 부 치수가 동일하게 설정되어 있지만, 동일하지 않아도 된다.

또한, 상기 실시 형태에서는 팁 슈라우드(51)에 스텝부(52)를 4개 설치하고, 이에 의해 캐비티(C)도 4개 형성하고 있지만, 스텝부(52)나 이에 대응하는 캐비티(C)는 적어도 복수이면 되고, 예를 들어 2개여도 되고, 3개, 혹은 5개 이상이어도 된다.

또한, 시일 핀(124)이나 환상 오목부(122)는 케이싱(10)의 구획판 외륜(12)에 형성되어 있는 것으로 하였지만, 예를 들어 구획판 외륜(12)을 설치하지 않고, 케이싱(10)의 본체부(11)에 직접 형성해도 된다.

또한, 상기 실시 형태에서는 복수의 스텝부(52)가 팁 슈라우드(51)에 설치됨과 함께, 시일 핀(124)이 케이싱(10)에 설치되어 있지만, 예를 들어 복수의 스텝부(52)를 케이싱(10)에 설치함과 함께, 시일 핀(124)을 팁 슈라우드(51)에 설치해도 된다.

또한, 상기 실시 형태와 같이 축류 효과 및 정압 저감 효과를 발휘하는 구성은 가동익(50)의 선단부를 이루는 팁 슈라우드(51)와 케이싱(10)의 간극에 형성되는 것으로 한정되지 않고, 예를 들어 고정익(40)의 선단부를 이루는 허브 슈라우드(41)와 축체(30)의 간극에 형성되어도 된다. 즉, 고정익(40)을 본 발명의 「날개 부재(블레이드)」로 하고, 축체(30)를 본 발명의 「구조체」로 해도 된다. 이 경우에도, 상술한 모든 실시 형태와 동일한 효과가 얻어진다.

그리고, 상기 실시 형태에서는 본 발명을 복수식의 증기 터빈에 적용하였지만, 다른 형식의 증기 터빈, 예를 들어 2단 추기 터빈, 추기 터빈, 혼기 터빈 등의 터빈 형식에 본 발명을 적용할 수도 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는 본 발명을 증기 터빈에 적용하였지만, 가스 터빈에도 본 발명을 적용할 수 있고, 또한 회전 날개가 있는 모든 것에 본 발명을 적용할 수 있다.

이 터빈에 따르면, 복수의 스텝부 및 시일 핀을 설치한 터빈이라도, 하류측에 위치하는 스텝부에 있어서 발생하는 박리 소용돌이에 의한 축류 효과 및 정압 저감 효과를 향상시킬 수 있으므로, 블레이드의 선단부와 구조체의 간극을 통과하는 누설 유량의 저감을 더욱 도모하는 것이 가능해진다.

1 : 증기 터빈(터빈)
10 : 케이싱(구조체)
11 : 본체부
12 : 구획판 외륜
30 : 축체
40 : 고정익
41 : 허브 슈라우드
50 : 가동익(블레이드)
51 : 팁 슈라우드
52, 52A, 52B, 52C, 52D : 스텝부
53, 53A, 53B, 53C, 53D : 단차면
54, 54A, 54B, 54C, 54D : 외주면
56, 56A, 56B, 56C, 56D : 경사면
121 : 환상 홈
124, 124A, 124B, 124C, 124D : 시일 핀
C, C1, C2, C3, C4 : 캐비티
H, H1, H2, H3, H4 : 미소 간극
L, L1, L2, L3, L4 : 거리
S : 증기(유체)
θ1, θ2, θ3, θ4 : 경사 각도

Claims (4)

1. 날개 부재와,
   상기 날개 부재의 선단부에 간극을 두고 설치됨과 함께, 상기 날개 부재에 대해 상대 회전하는 구조체를 구비하고,
   상기 간극에 유체가 유통되는 터빈이며,
   상기 날개 부재의 선단부 및 상기 구조체 중 상기 날개 부재의 선단부에 대향하는 부위 중 어느 한쪽에는, 상기 구조체의 회전축 방향의 상류측을 향하는 단차면을 갖고 다른 쪽으로 돌출되는 복수의 스텝부가, 상기 회전축 방향으로 나란히 설치되고,
   상기 다른 쪽에는, 상기 복수의 스텝부의 둘레면을 향해 연장되어, 상기 복수의 스텝부에 대응하는 둘레면과의 사이에 미소 간극을 형성하는 시일 핀이 설치되고,
   상기 구조체의 회전축 방향을 따라서 상기 미소 간극으로부터 상류측의 상기 단차면에 이르는 거리는, 적어도 이웃하는 2개이고, 상류측의 스텝부에 비해 하류측의 스텝부의 쪽이 작게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 터빈.
2. 제1항에 있어서, 상기 거리가, 상기 하류측에 위치하는 상기 스텝부일수록 작게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 터빈.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 이웃하는 2개의 스텝부 중 적어도 하류측의 스텝부의 상기 단차면에는 상기 둘레면으로 연결되도록, 상기 상류측으로부터 하류측을 향해 경사지는 경사면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 터빈.
4. 제3항에 있어서, 적어도 이웃하는 2개의 상기 스텝부의 상기 단차면에 상기 경사면이 형성되고,
   상기 경사면의 경사 각도는 상기 상류측의 스텝부에 비해 하류측의 스텝부의 쪽이 크게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 터빈.

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