KR20150001660A

KR20150001660A - 증기 터빈

Info

Publication number: KR20150001660A
Application number: KR1020140078184A
Authority: KR
Inventors: 나오키 시부카와; 도모히코 츠쿠다; 준이치 도미나가; 신이치로 오하시
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2014-06-25
Publication date: 2015-01-06
Also published as: EP2840233A2; KR101578176B1; JP6125351B2; US20150003969A1; US9850781B2; EP2840233A3; EP2840233B1; JP2015010482A

Abstract

실시형태의 증기 터빈(10)은, 케이싱 내에 관통 설치된 터빈 로터(21)에 심어 설치된 동익(22)과, 동익(22)의 직상류측에 설치되며, 동익(22)과 함께 터빈 단락을 구성하는 정익(26)과, 케이싱(20)의 내측에 설치되고, 동익(22)의 주위를 둘러싸는 고리 형상 연장 돌출부(24)를 가지며, 정익(26)을 반경 방향 외측으로부터 지지하는 다이어프램 외륜(23)과, 정익(26)을 반경 방향 내측으로부터 지지하는 다이어프램 내륜(25)을 구비한다. 증기 터빈(10)은, 정익(26)과 동익(22) 사이의 다이어프램 외륜(23)의 내면에 둘레 방향에 걸쳐서 형성된 고리 형상 슬릿(40)과, 다이어프램 외륜(23)의 외면에 둘레 방향에 걸쳐서 복수 설치되며, 외면측으로부터 고리 형상 슬릿(40)에 연통하고, 고리 형상 슬릿(40)을 통하여 수막을 흡인하는 배기실에 연통하는 연통 구멍(50)을 더 구비한다.

Description

증기 터빈{STEAM TURBINE}

본 발명은 일반적으로 증기 터빈에 관한 것이다.

원자력 터빈, 지열 터빈 또는 화력 터빈의 저압부에서는 작동 유체인 증기의 온도나 압력이 낮다. 그 때문에, 팽창 워크 중에 증기의 일부가 응축되어 물방울로 되고, 증기 통로의 내벽, 정익(stationary blade) 및 동익(rotor blade)에 부착된다. 그리고, 증기 통로에서 발생한 물방울은 입경(粒徑)이 큰 물방울로 성장한다. 이러한 입경이 큰 물방울이 동익의 전연(前緣) 등에 충돌함으로써, 동익이 침식됨과 함께, 동익의 회전에 대한 충돌 저항을 발생시켜 터빈 효율을 저하시킨다.

여기에서, 일반적인 저압 터빈에 있어서의 최종단의 터빈 단락(段落)의 근방에 있어서의 증기 등의 유동에 대하여 설명한다. 도 12는 종래의 저압 터빈에 있어서의 최종단의 터빈 단락 근방의 자오 단면을 나타내는 도면이다. 또, 도 12에 있어서, 파선은 증기의 유선(流線)을 나타내고, 실선은 발생한 물방울의 궤적을 나타내고 있다.

도 12에 나타내는 바와 같이, 케이싱(300)의 내주에는 다이어프램 외륜(diaphragm outer ring)(310a, 310b)과 다이어프램 내륜(diaphragm inner ring)(311a, 311b)이 구비되어 있다. 이 다이어프램 외륜(310a, 310b)과 다이어프램 내륜(311a, 311b) 사이에는 둘레 방향으로 복수의 정익(312a, 312b)이 지지되어 정익 익렬을 구성하고 있다.

정익 익렬의 직하류측(直下流側)에는, 터빈 로터의 로터 디스크(320a, 320b)에, 둘레 방향으로 복수의 동익(322a, 322b)이 심어 설치된 동익 익렬이 구성되어 있다. 그리고, 정익 익렬과 그 직하류에 위치하는 동익 익렬에 의하여 일단(一段)의 터빈 단락이 구성된다. 도 12에는 최종의 터빈 단락(330)과 그보다 일단 상류의 터빈 단락(331)이 나타나 있다. 동익(322a, 322b)에서는 정익(312a, 312b)에 있어서 팽창된 증기의 속도 에너지를 회전 에너지로 변환하여 동력을 발생시킨다.

증기는 도 12에 나타내는 바와 같이 하류로 감에 따라 확대되는 증기 통로를 따라서 팽창한다. 물방울은 증기의 압력 및 온도가 강하하는, 예를 들면 최종의 터빈 단락(330)보다 일단 상류의 터빈 단락(331)에서 발생한다.

발생한 일부의 물방울은 원심력, 코리올리력의 영향을 받아 터빈 단락(330)의 다이어프램 외륜(310a)을 향해서 흐른다. 그 때문에, 터빈 단락(330)의 다이어프램 외륜(310a)의 내면에는 많은 물방울이 부착되어 수막을 형성한다.

또한, 나머지 물방울은 정익(312a)의 표면에 충돌해서 부착되어 수막을 형성한다. 그리고, 정익(312a)의 후연(後緣)에 도달한 액막은 후연에서 증기류에 의하여 흩어져서 물방울로 된다. 이 물방울은 직하류측의 동익(322a)에 충돌하여 동익(322a)을 침식함과 함께, 회전 방향과는 역방향의 힘을 작용시켜 터빈 효율을 저하시킨다.

여기에서, 도 13은 종래의 저압 터빈의 최종단의 터빈 단락에 있어서의 증기의 습도의 정익의 블레이드 높이 방향의 분포를 나타낸 도면이다. 또, 종축은 각 블레이드 높이 위치를 블레이드 높이로 나눈 블레이드 높이비로 나타내고 있다. 예를 들면, 블레이드 높이비 「1」은 정익의 블레이드 선단을, 블레이드 높이비 「0」은 정익의 블레이드 근원을 나타낸다. 도 13에 나타내는 바와 같이, 습도는 정익의 선단측 즉 다이어프램 외륜측이 높아진다. 그 때문에, 발생한 물방울에 의한 폐해는 다이어프램 외륜측에서 현저해진다.

종래의 증기 터빈에 있어서, 상기한 물방울에 의한 침식이나 터빈 효율의 저하를 억제하기 위하여, 발생한 물방울이나 수막을 제거하는 기술이 검토되고 있다. 물방울이나 수막을 제거하는 기술로서, 다이어프램 외륜의 둘레 방향으로 복수의 관통 구멍을 설치하여 다이어프램 외륜의 내면에 부착된 수막을 제거하는 기술이 있다.

그러나, 다이어프램 외륜의 둘레 방향으로 복수의 관통 구멍을 설치할 경우, 정익과 동익 사이의 한정된 영역에 관통 구멍을 형성하기 때문에, 구멍 직경을 충분히 확대할 수 없다. 그 때문에, 수막이나 물방울을 둘레 방향으로 균일하게 제거하기 위해서는 둘레 방향으로 다수의 관통 구멍을 형성할 필요가 있다. 이것은 제조 공정의 복잡화나 제조 비용의 증가를 초래한다.

본 발명의 일 양태는, 저압으로 되는 터빈 단락에 습증기(濕蒸氣)가 흐르는 증기 터빈이다. 이 증기 터빈은, 케이싱 내에 관통 설치된 터빈 로터에 둘레 방향으로 심어 설치된 동익과, 상기 동익의 직상류측(直上流側)에 둘레 방향으로 설치되며, 상기 동익과 함께 터빈 단락을 구성하는 정익과, 상기 케이싱의 내측에 설치되고, 상기 동익의 주위를 둘러싸는 고리 형상 연장 돌출부를 가지며, 상기 정익을 반경 방향 외측으로부터 지지하는 다이어프램 외륜과, 상기 정익을 반경 방향 내측으로부터 지지하는 다이어프램 내륜을 구비한다. 증기 터빈은, 상기 정익과 상기 동익 사이의 상기 다이어프램 외륜의 내면에 둘레 방향에 걸쳐서 형성된 고리 형상 슬릿과, 상기 다이어프램 외륜의 외면에 둘레 방향에 걸쳐서 복수 설치되며, 상기 다이어프램 외륜의 외면측으로부터 상기 고리 형상 슬릿에 연통(連通)함과 함께, 상기 고리 형상 슬릿을 통하여 액체를 흡인하는 흡인부에 연통하는 연통 구멍을 더 구비한다.

도 1은 제1 실시형태의 증기 터빈의 연직 방향의 단면(斷面)을 나타내는 도면.
도 2는 제1 실시형태의 증기 터빈에 있어서의 최종단의 터빈 단락의 상반측의 연직 방향의 단면을 나타낸 도면.
도 3은 도 2의 A-A 단면을 나타내는 도면.
도 4는 제1 실시형태의 증기 터빈의 다이어프램 외륜을 반경 방향 외측으로부터 보았을 때의 평면도.
도 5는 다른 고리 형상 슬릿의 구성을 설명하기 위한, 제1 실시형태의 증기 터빈에 있어서의 최종단의 터빈 단락의 상반측의 일부의 연직 방향의 단면을 나타낸 도면.
도 6은 다른 고리 형상 슬릿의 구성을 설명하기 위한, 제1 실시형태의 증기 터빈에 있어서의 최종단의 터빈 단락의 상반측의 일부의 연직 방향의 단면을 나타낸 도면.
도 7은 다른 고리 형상 슬릿의 구성을 설명하기 위한, 제1 실시형태의 증기 터빈에 있어서의 최종단의 터빈 단락의 상반측의 일부의 연직 방향의 단면을 나타낸 도면.
도 8은 다른 정익의 구성을 설명하기 위한, 제1 실시형태의 증기 터빈에 있어서의 최종단의 터빈 단락의 상반측의 일부의 연직 방향의 단면을 나타낸 도면.
도 9는 제2 실시형태의 증기 터빈에 있어서의 최종단의 터빈 단락의 상반측의 연직 방향의 단면을 나타낸 도면.
도 10은 도 9의 B-B 단면을 나타내는 도면.
도 11은, 고리 형상 슬릿의 입구에 있어서의 반경 방향의 흡입 속도의 둘레 방향 분포를 나타낸 도면.
도 12는 종래의 저압 터빈에 있어서의 최종의 터빈 단락 근방의 자오 단면을 나타내는 도면.
도 13은 종래의 저압 터빈의 최종의 터빈 단락에 있어서의 증기의 습도의 정익의 블레이드 높이 방향의 분포를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조해서 설명한다.

(제1 실시형태)

도 1은 제1 실시형태의 증기 터빈(10)의 연직 방향의 단면을 나타내는 도면이다. 또, 이하 설명하는 증기 터빈은 저압 터빈이다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 증기 터빈(10)은 케이싱(20)을 구비한다. 이 케이싱(20) 내에는 터빈 로터(21)가 관통 설치되어 있다. 터빈 로터(21)에는 로터 디스크(21a)가 형성되어 있다. 이 로터 디스크(21a)에는 복수의 동익(22)이 둘레 방향으로 심어 설치되어 있다. 복수의 동익(22)을 둘레 방향으로 구비한 동익 익렬은 터빈 로터(21)의 축 방향으로 복수 단 구성되어 있다. 또, 터빈 로터(21)는 도시하지 않은 로터 베어링에 의하여 회전 가능하게 지지되어 있다.

케이싱(20)의 내주에는 다이어프램 외륜(23)이 설치되어 있다. 다이어프램 외륜(23)은, 하류측으로 고리 형상으로 연장 돌출되며 동익(22)의 주위를 둘러싸는 고리 형상 연장 돌출부(24)를 갖고 있다. 다이어프램 외륜(23)의 내측에는 다이어프램 내륜(25)이 설치되어 있다.

또한, 다이어프램 외륜(23)과 다이어프램 내륜(25) 사이에는 둘레 방향으로 복수의 정익(26)이 배치되어 정익 익렬을 구성하고 있다. 다이어프램 외륜(23)은 정익(26)을 반경 방향 외측으로부터 지지하고 있다. 다이어프램 내륜(25)은 정익(26)을 반경 방향 내측으로부터 지지하고 있다. 정익 익렬은 터빈 로터(21)의 축 방향으로 동익 익렬과 번갈아서 복수 단 구비되어 있다. 그리고, 정익 익렬과 그 직하류측에 위치하는 동익 익렬에 의해 하나의 터빈 단락을 구성하고 있다.

다이어프램 외륜(23)과 다이어프램 내륜(25) 사이에는 주(主)증기가 흐르는 고리 형상의 증기 통로(27)가 형성되어 있다. 증기 통로(27)는 예를 들면 하류로 감에 따라 유로 단면이 서서히 확대된다. 터빈 로터(21)와 케이싱(20) 사이에는 증기의 외부로의 누설을 방지하기 위하여 글랜드 시일부(28)가 설치되어 있다. 또한, 터빈 로터(21)와 다이어프램 내륜(25) 사이에는, 그 사이에서 증기가 하류측으로 누설하는 것을 방지하기 위하여 시일부(29)가 설치되어 있다.

또한, 증기 터빈(10)에는 크로스오버관(30)으로부터의 증기를 증기 터빈(10)의 내부에 증기를 도입하기 위한 증기 입구관(도시하지 않음)이 설치되어 있다. 이 증기 입구관은 케이싱(20)을 관통해서 설치되어 있다. 최종단의 터빈 단락의 하류측에는 각 터빈 단락에 있어서 팽창 워크를 한 증기를 배기하기 위한 배기 통로(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 이 배기 통로는 복수기(復水器)(도시하지 않음)에 연통되어 있다.

다음으로, 저압으로 되어 습증기가 흐르는 터빈 단락의 구성에 대하여 상세하게 설명한다.

여기에서는, 습증기가 흐르는 터빈 단락으로서 최종단의 터빈 단락을 예시하여 설명한다. 또, 습증기가 흐르는 터빈 단락은 최종단의 터빈 단락으로 한정되는 것은 아니다. 그 때문에, 최종단의 터빈 단락보다 상류의 터빈 단락이어도 습증기가 흐를 때에는 이하에 나타내는 최종단의 터빈 단락과 마찬가지의 구성을 구비한다.

도 2는 제1 실시형태의 증기 터빈(10)에 있어서의 최종단의 터빈 단락의 상반측의 연직 방향의 단면을 나타낸 도면이다. 도 3은 도 2의 A-A 단면을 나타내는 도면이다. 도 4는 제1 실시형태의 증기 터빈(10)의 다이어프램 외륜(23)을 반경 방향 외측으로부터 보았을 때의 평면도이다. 또, 도 2 및 도 3 중에는 정익(26), 고리 형상 슬릿(40), 연통 구멍(50)에 부착된 수막(80)도 나타내고 있다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 다이어프램 외륜(23)의 고리 형상 연장 돌출부(24)는 미소 간극을 두고 동익(22)의 주위를 둘러싸고 있다. 다이어프램 외륜(23)의 내면의 정익(26)과 동익(22) 사이에는 둘레 방향에 걸쳐서 고리 형상 슬릿(40)이 형성되어 있다. 즉, 고리 형상 슬릿(40)은 둘레 방향으로 연속한 고리 형상의 홈으로 구성되어 있다.

이 고리 형상 슬릿(40)은 다이어프램 외륜(23)의 내면(23a)으로부터 반경 방향 외측을 향해서 다이어프램 외륜(23)을 관통하지 않도록 형성되어 있다. 다이어프램 외륜(23)의 내면(23a)으로부터 반경 방향 외측을 향하는 고리 형상 슬릿(40)의 홈 깊이는 예를 들면 다이어프램 외륜(23)의 두께의 20∼50% 정도이다.

다이어프램 외륜(23)의 외면(23b)에는 둘레 방향에 걸쳐서 소정의 간격(피치)으로 복수의 연통 구멍(50)이 형성되어 있다. 연통 구멍(50)은 다이어프램 외륜(23)의 외면(23b)으로부터 고리 형상 슬릿(40)에 연통하는 위치까지 형성되어 있다. 연통 구멍(50)은, 예를 들면 도 3에 나타내는 바와 같이, 터빈 로터 축 방향에 수직인 단면에 있어서, 터빈 로터(21)의 중심축으로부터 반경 방향으로 연장되는 레이디얼선(R)을 따라서 형성된다. 즉, 연통 구멍(50)은 예를 들면 터빈 로터(21)의 중심축을 중심으로 해서 방사상으로 형성된다. 연통 구멍(50)은 예를 들면 도 4에 나타내는 바와 같이 둥근 구멍 등으로 구성된다.

또한, 도 2에 나타내는 바와 같이, 다이어프램 외륜(23)의 외면(23b)의 연통 구멍(50)보다 상류측에는 반경 방향 외측으로 돌출하는 돌기부(60)가 형성되어 있다. 이 돌기부(60)는 케이싱(20)의 내면(20b)에 형성된 반경 방향 내측으로 돌출하는 돌기부(70)와 접촉되어 있다. 이 돌기부(60)는 시일부로서 기능한다. 이 시일부보다 하류측의 다이어프램 외륜(23)과 케이싱(20)에 의해 둘러싸이는 공간은 예를 들면 증기를 배기하는 배기실(도시하지 않음)에 연통해 있다. 즉, 연통 구멍(50)은 예를 들면 증기를 배기하는 배기실(도시하지 않음)에 연통해 있다. 또, 연통 구멍(50)은 예를 들면 배기실을 통하지 않고 직접 복수기에 연통하도록 구성되어도 된다.

다음으로, 증기 터빈(10)의 동작에 대하여 도 1∼도 3을 참조해서 설명한다.

크로스오버관(30)으로부터의 증기 입구관(도시하지 않음)을 거쳐 증기 터빈(10) 내로 유입된 증기는, 각 터빈 단락의 정익(26), 동익(22)을 구비하는 증기 통로(27)를 팽창 워크를 하면서 통과하여 터빈 로터(21)를 회전시킨다.

증기는 하류로 감에 따라 압력 및 온도가 저하한다. 증기의 압력 및 온도가 저하해서 습증기로 되어 물방울이 발생한다.

발생한 일부의 물방울은 원심력, 코리올리력의 영향을 받아 다이어프램 외륜(23)측을 향해서 흐른다. 그 때문에, 다이어프램 외륜(23)의 내면에는 많은 물방울이 부착되어 수막(80)이 형성된다. 또한, 나머지 물방울은 도 2에 나타내는 바와 같이 정익(26)의 표면에 충돌해서 부착되어 수막(80)을 형성한다. 이 정익(26)에 부착된 수막(80)은 원심력에 의해 증기 통로(27)의 외주측, 즉 다이어프램 외륜(23)측에 집적된다.

여기에서, 고리 형상 슬릿(40)의 증기 통로(27)측의 압력은 정익(26)의 출구 압력과 거의 같다. 이 정익(26)의 출구 압력은 증기를 배기하는 배기실(도시하지 않음)에 연통하는 연통 구멍(50)의 다이어프램 외륜(23)의 외주에 형성된 개구부에 있어서의 압력보다 크다.

그 때문에, 다이어프램 외륜(23)측으로 흐르는 물방울, 다이어프램 외륜(23)의 내면 및 정익(26)에 부착된 수막(80)은 고리 형상 슬릿(40)으로부터 연통 구멍(50)측으로 흡입된다. 고리 형상 슬릿(40)으로부터 흡입된 물방울 및 수막은 연통 구멍(50)을 통하여 예를 들면 저압측의 배기실로 유도된다. 고리 형상 슬릿(40)은 둘레 방향에 걸쳐서 형성되어 있다. 그 때문에, 둘레 방향으로 분산되어 있는 물방울이나 수막은 확실히 회수된다. 또, 연통 구멍(50)의 개구부보다 저압이며 물방울이나 수막을 흡인하는 배기실은 흡인부로서 기능한다.

최종단의 터빈 단락을 통과한 증기는 배기실(도시하지 않음)을 통과하여 복수기(도시하지 않음)로 유도된다.

상기한 바와 같이, 제1 실시형태의 증기 터빈(10)에 의하면, 둘레 방향에 걸쳐서 고리 형상 슬릿(40)을 구비함으로써, 둘레 방향으로 분산되어 있는 물방울이나 수막을 확실히 회수(제거)할 수 있다. 이에 따라, 정익(26)의 직하류측의 동익(22)에 물방울이 충돌함으로써 발생하는 침식이나 터빈 효율의 저하를 억제할 수 있다.

여기에서, 제1 실시형태의 증기 터빈(10)의 구성은 상기한 구성으로 한정되는 것은 아니다.

도 5∼도 7은, 다른 고리 형상 슬릿(40)의 구성을 설명하기 위한, 제1 실시형태의 증기 터빈(10)에 있어서의 최종단의 터빈 단락의 상반측의 일부의 연직 방향의 단면을 나타낸 도면이다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 다이어프램 외륜(23)의 내면(23a)에 면하는 고리 형상 슬릿(40)의 상류측의 단부(40a)가, 예를 들면 정익(26)의 블레이드 선단의 후연과 다이어프램 외륜(23)의 교점(X)을 포함하는 원주 상에 위치하도록 구성해도 된다. 즉, 교점(X)에서는 고리 형상 슬릿(40)의 상류측의 단부(40a), 정익(26)의 블레이드 선단의 후연 및 다이어프램 외륜(23)의 내면(23a)이 만나 있다.

이렇게 고리 형상 슬릿(40)을 구성함으로써, 교점(X)에 체류하는 수막이 비산하기 전에 수막을 회수할 수 있다.

또한, 도 6에 나타내는 바와 같이, 다이어프램 외륜(23)의 내면(23a)에 면하는 고리 형상 슬릿(40)의 상류측의 단부(40a)를 모따기 가공해도 된다. 여기에서는 단부(40a)를 각진 면으로 하는 모따기 가공(C모따기 가공)을 실시한 일례를 나타냈지만, 단부(40a)를 둥근 면으로 하는 모따기 가공(R모따기 가공)을 실시해도 된다.

이 경우, 도 6에 나타내는 바와 같이, 모따기 가공면의 상류측의 단부는, 예를 들면, 도 5에 나타낸 고리 형상 슬릿(40)의 상류측의 단부(40a)와 마찬가지로, 정익(26)의 블레이드 선단의 후연과 다이어프램 외륜(23)의 교점(X)을 포함하는 원주 상에 위치하도록 구성되어도 된다.

이렇게, 모따기 가공을 실시함으로써, 정익(26)의 블레이드 선단의 후연에 체류하는 수막이 비산하기 전에 수막을 회수할 수 있다.

또한, 도 7에 나타내는 바와 같이, 터빈 로터 축 방향과, 고리 형상 슬릿(40)이 형성된 다이어프램 외륜(23)의 내면(23a)이 이루는 예각을 α로 한다. 터빈 로터 축 방향과, 고리 형상 슬릿(40)보다 상류측의 다이어프램 외륜의 내면(23c)이 이루는 예각을 β로 한다. 그리고, 예각 α가 예각 β보다 작아지도록 내면(23a)을 구성해도 된다.

즉, 고리 형상 슬릿(40)이 형성된 다이어프램 외륜(23)의 내면(23a)의 하류측으로의 확대는, 고리 형상 슬릿(40)보다 상류측의 다이어프램 외륜의 내면(23c)의 하류측으로의 확대보다 작다. 또, 예각 α는, 예를 들면 도 7에 나타내는 바와 같이, 다이어프램 외륜(23)의 내면(23a)에 면하는 고리 형상 슬릿(40)의 상류측의 단부(40a)에 있어서의, 터빈 로터 축 방향과 내면(23a)이 이루는 각으로 나타내어진다.

이러한 구성으로 함으로써, 예각 β의 다이어프램 외륜의 내면(23c)을 따라서 고리 형상 슬릿(40)에 도달한 수막이나 물방울은 고리 형상 슬릿(40)의 하류측의 단부(40b)나 단면(40c)에 충돌한다. 그 때문에, 수막이나 물방울을 확실히 고리 형상 슬릿(40) 내로 유도하여 흡인할 수 있다.

여기에서, 예각 α가 「0」으로 되도록 고리 형상 슬릿(40)이 형성되는 다이어프램 외륜(23)의 내면(23a)을 구성해도 된다. 이 경우, 내면(23a)이 터빈 로터 축 방향으로 평행해지기 때문에, 고리 형상 슬릿(40)을 형성할 때의 가공이 용이해진다.

도 8은 다른 정익(26)의 구성을 설명하기 위한, 제1 실시형태의 증기 터빈(10)에 있어서의 최종단의 터빈 단락의 상반측의 일부의 연직 방향의 단면을 나타낸 도면이다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 정익(26)의 블레이드 근원으로부터 블레이드 높이의 90% 이상에 위치하는 후연(26a)에 있어서, 블레이드 선단(26b)으로 감에 따라 서서히 후연을 연장 돌출시켜도 된다. 또, 후연을 연장 돌출시켜서 구성되는 연장 돌출부(90)의 하류측의 단부(90a)는, 다이어프램 외륜(23)의 내면(23a)에 면하는 고리 형상 슬릿(40)의 상류측의 단부(40a)와 만나도록 구성해도 된다.

여기에서, 연장 돌출부(90)가 형성되는 부분을 블레이드 근원으로부터 블레이드 높이의 90% 이상의 범위로 하는 것은, 전술한 도 13에 나타내는 바와 같이, 블레이드 높이의 90% 이상에서 습도가 0.1(10%)을 초과해 있기 때문이다. 실기(實機)의 증기 터빈의 내부 관찰 결과, 습도가 0.1을 초과하면 수막, 수맥의 형성이 현저해지는 것을 알 수 있다.

이렇게, 연장 돌출부(90)를 구비함으로써, 연장 돌출부(90)의 하류측의 단부(90a)에 체류하는 수막이 비산하기 전에 수막을 회수할 수 있다.

또, 제1 실시형태에 있어서는, 고리 형상 슬릿(40) 및 연통 구멍(50)을 정익(26)과 동익(22) 사이에 일단 구비한 일례를 나타냈지만 이 구성으로 한정되는 것은 아니다. 고리 형상 슬릿(40) 및 연통 구멍(50)을 예를 들면 정익(26)과 동익(22) 사이에 터빈 로터 축 방향으로 복수 단 구비해도 된다.

(제2 실시형태)

도 9는 제2 실시형태의 증기 터빈(11)에 있어서의 최종단의 터빈 단락의 상반측의 연직 방향의 단면을 나타낸 도면이다. 도 10은 도 9의 B-B 단면을 나타내는 도면이다. 또, 제1 실시형태의 증기 터빈(10)의 구성과 동일한 구성 부분에는 동일한 부호을 부여하고 중복되는 설명을 생략 또는 간략화한다.

제2 실시형태의 증기 터빈(11)에서는 연통 구멍의 구성 이외에는 제1 실시형태의 증기 터빈(10)의 구성과 같다. 그 때문에, 여기에서는 연통 구멍에 대하여 주로 설명한다.

도 9 및 도 10에 나타내는 바와 같이, 연통 구멍(51)은, 터빈 로터 축 방향에 수직인 단면에 있어서, 터빈 로터(21)의 중심축으로부터 반경 방향으로 연장되는 레이디얼선(R)에 대하여 경사져 있다. 이 경사 방향은 특별히 한정되지 않지만, 증기의 유입을 억제하기 위하여, 정익(26)을 통과한 증기의 선회 방향과는 역방향인 것이 바람직하다. 연통 구멍(51)은 예를 들면 중심축(O)에 수직인 단면에 있어서의 형상이 원형이 되도록 둥근 구멍으로 형성되는 것이 바람직하다.

연통 구멍(51)의 중심축(O)과 레이디얼선(R)이 이루는 예각인 경사 각도 θ는 0도보다 크고 75도 이하인 것이 바람직하다. 경사 각도 θ를 0도보다 크게 함으로써, 연통 구멍(51)과 고리 형상 슬릿(40)의 연통 면적이 증가하여, 고리 형상 슬릿(40)으로부터 수막이나 물방울을 직접 빨아올리는 둘레 방향의 개구 면적이 증가한다. 그 때문에, 둘레 방향으로 분산되어 있는 물방울이나 수막을 확실히 회수할 수 있다. 경사 각도 θ가 75도를 초과하면 연통 구멍(51)을 형성하는 것이 제작상 곤란해진다. 경사 각도 θ의 보다 바람직한 범위는 30도 이상 75도 이하이다.

연통 구멍(51)이 둥근 구멍으로 형성되며, 연통 구멍(51)의 둘레 방향의 피치를 P, 연통 구멍(51)의 둥근 구멍의 직경을 D, 연통 구멍(51)의 경사 각도를 θ로 할 때, 다음의 식(1)의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다.

P/(D·secθ)≤5 …식(1)

P/(D·secθ)의 값이 5 이하이면, 경사 각도 θ가 30도 미만이어도 수막이나 물방울을 흡인하는 효과가 둘레 방향으로 도중에 끊기지 않고 얻어진다. 또, P/(D·secθ)의 하한값은, 연통 구멍(51)이 설치되어 있지 않은 부분에 의해 다이어프램 외륜(23)의 강도를 유지하기 위하여, 또한 과대한 구멍 면적은 물방울뿐만 아니라 수반하는 주류 증기를 흡인하는 비율을 증가시키기 때문에, 2 정도로 하는 것이 바람직하다.

식(1)을 만족시킴으로써, 둘레 방향으로 분산되어 있는 물방울이나 수막을 확실히 회수할 수 있다. 또한, 물방울이나 수막의 보다 확실한 회수를 도모하기 위하여, 식(1)과 함께 다음의 식(2)의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다.

L/W≥3 …식(2)

여기에서, L은 고리 형상 슬릿(40)의 반경 방향의 홈 깊이(도 10 참조)이고, W는 고리 형상 슬릿(40)의 터빈 로터 축 방향의 홈 폭(도 9 참조)이다.

L/W의 값이 3 이상에서는 둘레 방향으로 분산되어 있는 물방울이나 수막을 확실히 회수할 수 있다. L/W의 최대값은 홈을 가공하는 예를 들면 선반 커터의 마모 비용의 절감의 관점에서 20 정도이다. 또한, 실제품에의 적용이나 홈 깊이 L의 치수 등을 고려하면 홈 폭 W는 10㎜ 이하인 것이 바람직하다.

여기에서, 도 11은 고리 형상 슬릿(40)의 입구에 있어서의 반경 방향의 흡입 속도의 둘레 방향 분포를 나타낸 도면이다. 또, 고리 형상 슬릿(40)의 입구는 증기 통로(27)측에 위치한다.

여기에서, 도 11에서는 연통 구멍(51)을 중심으로 하는 연통 구멍(51)의 둘레 방향의 피치 P의 범위로 둘레 방향 분포를 나타내고 있다. 또한, 도 11에 나타내어진 결과는 수치 유체 해석에 의하여 얻어진 결과이다.

해석 모델 F1∼F4에 있어서, 연통 구멍(51)을 둥근 구멍으로 형성하고, P/D를 10으로 하고, 연통 구멍(51)의 경사 각도 θ를 60도로 했다. L/W에 대해서는, F1에서는 2, F2에서는 3, F3에서는 8, F4에서는 16으로 했다.

도 11에 나타내는 바와 같이, L/W의 값이 2인 F1에서는 흡입 속도의 둘레 방향 분포의 둘레 방향으로의 퍼짐은 작다. L/W의 값이 3 이상(F2∼F4)에서는, 흡입 속도의 둘레 방향 분포의 둘레 방향으로의 퍼짐이 넓어, 거의 피치 P의 모든 범위에 있어서 고리 형상 슬릿(40)으로부터 물방울이나 수막이 흡입되는 것을 알 수 있다. 이에 따라, L/W의 값이 3 이상(F2∼F4)에서는 고리 형상 슬릿(40)에 있어서의 수막이나 물방울의 흡입을 둘레 방향에 걸쳐서 균일하게 행할 수 있는 것을 알 수 있다.

제2 실시형태의 증기 터빈(11)에 의하면, 둘레 방향에 걸쳐서 고리 형상 슬릿(40)을 구비하고, 레이디얼선(R)에 대한 연통 구멍(51)의 경사 각도 θ를 상기한 범위로 함으로써, 둘레 방향으로 분산되어 있는 물방울이나 수막을 확실히 회수할 수 있다. 이에 따라, 정익(26)의 직하류측의 동익(22)에 물방울이 충돌함으로써 발생하는 침식이나 터빈 효율의 저하를 억제할 수 있다. 또한, L/W의 값을 상기한 범위로 함으로써, 둘레 방향으로 분산되어 있는 물방울이나 수막을 보다 확실히 회수할 수 있다.

또, 제2 실시형태에 있어서도, 제1 실시형태에서 설명한 도 5∼도 8에 따른 각 구성을 구비할 수 있어, 각 구성과 마찬가지의 작용 효과를 얻을 수 있다.

이상 설명한 실시형태에 따르면, 발생한 물방울이나 수막을 둘레 방향에 걸쳐서 확실히 제거하는 것이 가능해진다.

특정 실시형태를 설명했지만, 이 실시형태는 단지 예시일뿐이며, 본 발명의 범주를 제한하고자 하는 것은 아니다. 실제, 본원에서 설명된 신규한 실시형태는 다양한 다른 형태로 구현될 수 있고, 또한 본 발명의 사상에서 벗어나지 않고 본원에서 설명되는 실시형태의 형태에 있어 다양한 생략, 치환, 및 변경이 이루어질 수 있다. 첨부 도면 및 그 등가물은 본 발명의 범주 및 사상에 포함되는 형태 또는 수정을 커버하는 것으로 한다.

Claims

저압으로 되는 터빈 단락(段落)에 습증기(濕蒸氣)가 흐르는 증기 터빈으로서,
케이싱 내에 관통 설치된 터빈 로터에 둘레 방향으로 심어 설치된 동익(rotor blade)과,
상기 동익의 직상류측(直上流側)에 둘레 방향으로 설치되며, 상기 동익과 함께 터빈 단락을 구성하는 정익(stationary blade)과,
상기 케이싱의 내측에 설치되고, 상기 동익의 주위를 둘러싸는 고리 형상 연장 돌출부를 가지며, 상기 정익을 반경 방향 외측으로부터 지지하는 다이어프램 외륜과,
상기 정익을 반경 방향 내측으로부터 지지하는 다이어프램 내륜과,
상기 정익과 상기 동익 사이의 상기 다이어프램 외륜의 내면에 둘레 방향에 걸쳐서 형성된 고리 형상 슬릿과,
상기 다이어프램 외륜의 외면에 둘레 방향에 걸쳐서 복수 설치되며, 상기 다이어프램 외륜의 외면측으로부터 상기 고리 형상 슬릿에 연통(連通)함과 함께, 상기 고리 형상 슬릿을 통하여 액체를 흡인하는 흡인부에 연통하는 연통 구멍을 구비하는 증기 터빈.
제1항에 있어서,
상기 연통 구멍이, 터빈 로터 축 방향에 수직인 단면(斷面)에서, 터빈 로터의 중심축으로부터 반경 방향으로 연장되는 레이디얼선에 대하여 경사져 있는 증기 터빈.
제2항에 있어서,
상기 연통 구멍의 상기 레이디얼선에 대한 경사 각도가, 0도보다 크고 75도 이하인 증기 터빈.
제2항에 있어서,
상기 연통 구멍이 둥근 구멍으로 형성되며, 상기 연통 구멍의 둘레 방향의 피치를 P, 상기 연통 구멍의 둥근 구멍의 직경을 D, 상기 연통 구멍의 상기 레이디얼선에 대한 경사 각도를 θ로 할 때,
P/(D·secθ)의 값이 5 이하인 증기 터빈.
제1항에 있어서,
상기 고리 형상 슬릿의 반경 방향의 홈 깊이를 L, 상기 고리 형상 슬릿의 터빈 로터 축 방향의 홈 폭을 W로 할 때,
L/W의 값이 3 이상인 증기 터빈.
제5항에 있어서,
상기 홈 폭 W가 10㎜ 이하인 증기 터빈.
제1항에 있어서,
상기 연통 구멍이, 터빈 로터 축 방향에 수직인 단면에서, 터빈 로터의 중심축으로부터 반경 방향으로 연장되는 레이디얼선을 따라서 형성되어 있는 증기 터빈.
제1항에 있어서,
상기 다이어프램 외륜의 내면에 면하는, 상기 고리 형상 슬릿의 상류측의 단부가, 상기 정익의 블레이드 선단의 후연(後緣)과 상기 다이어프램 외륜의 교점을 포함하는 원주 상에 있는 증기 터빈.
제1항에 있어서,
블레이드 근원으로부터 블레이드 높이의 90% 이상에 위치하는, 상기 정익의 후연에서, 블레이드 선단으로 감에 따라 후연이 연장 돌출되어 있는 증기 터빈.
제1항에 있어서,
상기 다이어프램 외륜의 내면에 면하는, 상기 고리 형상 슬릿의 상류측의 단부가, 모따기 가공되어 있는 증기 터빈.
제1항에 있어서,
터빈 로터 축 방향과, 상기 고리 형상 슬릿이 형성된 상기 다이어프램 외륜의 내면이 이루는 예각 α는, 터빈 로터 축 방향과, 상기 고리 형상 슬릿보다 상류측의 상기 다이어프램 외륜의 내면이 이루는 예각 β보다 작은 증기 터빈.
제11항에 있어서,
상기 예각 α가 0인 증기 터빈.
제1항에 있어서,
상기 고리 형상 슬릿이, 상기 정익과 상기 동익 사이에, 터빈 로터 축 방향으로 복수 단 형성되어 있는 증기 터빈.
제1항에 있어서,
상기 고리 형상 슬릿이 형성된 상기 다이어프램 외륜이, 습증기가 흐르는 터빈 단락에 구비되어 있는 증기 터빈.