KR20150055051A - 회전 기계 - Google Patents

Abstract

축선을 따라 유체가 유통하는 증기 터빈(1A)에 있어서, 축선을 중심으로 연장되는 축체에 설치된 동익(50)의 팁 슈라우드(51)와, 팁 슈라우드(51)에 직경 방향으로 대향하여, 축선 주위로 팁 슈라우드(51)에 대해 상대 회전 가능하게 설치된 케이싱에 설치된 구획판 외륜(11)과, 구획판 외륜(11)으로부터 직경 방향 내측으로 연장되어, 팁 슈라우드(51)와의 사이에 미소한 간극(H)을 형성하는 시일 핀(15)과, 시일 핀(15)의 하류측에 형성되어 미소한 간극(H)을 통과하는 누설류에 기초하는 주 소용돌이(Y1)가 생성되는 캐비티(C) 내에 시일 핀(15)에 대향하도록 설치되고, 주 소용돌이(Y1)에 기초하는 흐름을 미소한 간극(H)을 향해 유도하는 증기 도입면(70a)을 구비한다.

Description

회전 기계 {ROTATING MACHINE}

본 발명은, 터빈, 압축기 등의 회전 기계의 시일 구조에 관한 것이다.

본원은, 2012년 10월 18일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2012-230746호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

주지와 같이, 회전 기계의 일종으로서, 케이싱과, 케이싱의 내부에 회전 가능하게 설치된 회전축과, 케이싱의 내주부에 고정 배치된 복수의 정익과, 이들 복수의 정익의 하류측에 있어서 회전축에 방사 형상으로 설치된 복수의 동익을 구비한 축류식의 터빈이 있다. 터빈에 있어서는, 유체의 압력 에너지를 회전 에너지로 변환함으로써 동력을 얻고 있다. 또한, 터빈이 충동 터빈인 경우에는, 유체의 압력 에너지를 정익에 의해 속도 에너지로 변환하고, 이 속도 에너지를 동익에 의해 회전 에너지로 변환하고 있다. 또한, 반동 터빈인 경우에는, 동익 내에서도 압력 에너지가 속도 에너지로 변환되고, 유체가 분출되는 반동력에 의해 속도 에너지를 회전 에너지로 변환한다.

이러한 터빈에서는, 회전체(로터)인 동익의 선단부와, 정지체(스테이터)인 케이싱 사이에는 직경 방향으로 간극이 형성되어 있다. 또한, 정지체인 정익의 선단부와 회전체인 회전축 사이에도 직경 방향의 간극이 형성되어 있다. 이로 인해 유체의 일부가, 동익 선단부와 케이싱의 간극을 하류측을 향해 누설되어 버리지만, 이 누설 유체는, 동익에 대해 회전력을 부여하지 않는다. 또한, 정익의 선단부와 회전축의 간극을 하류측으로 통과하는 누설 유체는, 그 압력 에너지가 정익에 의해 속도 에너지로 변환되지 않으므로, 하류측의 동익에 대해 회전력을 거의 부여하지 않는다. 따라서, 터빈의 성능 향상을 위해서는, 상기 간극을 통과하는 유체의 유량(누설 유량)을 저감시키는 것이 중요해진다.

여기서, 예를 들어 특허문헌 1에서는, 동익의 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 미소한 간극을 형성한 구조의 터빈이 제안되어 있다.

이 터빈에서는, 상류측으로부터 상기 간극으로 들어간 유체가 스텝부의 단차면에 충돌함으로써 단차면의 상류측에 주 소용돌이가 발생한다. 또한, 단차면의 하류측(상기 미소한 간극의 상류측 근방)에 주 소용돌이에 기인하는 박리 소용돌이가 발생한다. 그리고 이 박리 소용돌이에 의해, 미소한 간극을 빠져나가는 누설류를 축류함으로써 누설 유량의 저감이 도모되어 있다.

일본 특허 공개 제2011-080452호 공보

그러나, 특허문헌 1에 개시된 스텝부에 의해 발생하는 주 소용돌이에 관하여, 상기 미소한 간극의 하류측 근방에 있어서 주 소용돌이를 형성하는 유체의 유통 방향은 직경 방향을 향하고 있지 않고, 하류를 향해 직경 방향에 대해 경사진 방향으로 되어 있다. 이로 인해, 상기 미소한 간극의 하류측 근방에는 사수(死水) 영역이 형성된다. 즉, 이 사수 영역에서는, 주 소용돌이의 유체는 미소한 간극을 통과하는 유체에 대해 직접 영향을 미칠 수 없어, 누설류의 축류 효과가 약해져 버린다.

본 발명은, 누설 유량의 가일층의 저감을 도모하는 것이 가능한 회전 기계를 제공한다.

본 발명의 제1 형태에 의하면, 축선을 따라 유체가 유통하는 회전 기계에 있어서, 상기 축선을 중심으로 연장되는 로터와, 상기 로터의 직경 방향에 대향하여, 상기 축선 주위로 상기 로터에 대해 상대 회전 가능하게 설치된 스테이터와, 상기 로터와 상기 스테이터 중 한쪽으로부터 다른 쪽으로 연장되어, 상기 다른 쪽과의 사이에 간극을 형성하는 시일 핀과, 상기 시일 핀의 하류측에 형성되어 상기 간극을 통과하는 누설류에 기초하는 소용돌이가 생성되는 캐비티 내에 상기 시일 핀에 대향하도록 설치되고, 상기 소용돌이에 기초하는 흐름을 상기 간극을 향해 유도하는 유체 도입면을 구비한다.

이러한 회전 기계에 의하면, 캐비티 내의 누설류에 의한 소용돌이 중에 있어서의 유체를 시일 핀과 유체 도입면 사이를 통해 상기 간극으로 유도함으로써, 간극을 통과한 누설류를 시일 핀의 하류측에서, 다른 쪽을 향해 압박할 수 있다. 따라서 누설류의 축류 효과를 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 유체 도입면은, 상기 일측으로부터 상기 타측을 향함에 따라서, 하류측으로부터 상류측을 향하도록 경사져 설치되어 있어도 된다.

이와 같이 유체 도입면이 설치되어 있음으로써, 소용돌이 중의 유체를 보다 많이 시일 핀과 유체 도입면 사이에 유도할 수 있다. 또한, 시일 핀과 유체 도입면 사이의 공간이 간극을 향함에 따라서 좁아져 가므로, 간극을 향해 유도되는 흐름의 유속을 증대시킬 수 있다. 이로 인해, 누설류의 축류 효과를 더욱 향상시켜, 가일층의 누설 유량의 저감이 가능해진다.

또한, 상기 유체 도입면은, 상기 시일 핀을 따라 설치된 구획판의 상류측을 향하는 표면이고, 상기 구획판에 있어서의 상기 일측에는, 상기 구획판과 상기 시일 핀 사이에 구획 형성되는 공간과, 상기 캐비티에 있어서의 상기 구획판의 하류측의 공간을 연통하는 연통부가 형성되어 있어도 된다.

이러한 구획판에 의해, 연통부로부터 시일 핀과 유체 도입면 사이의 공간을 향해, 소용돌이 중의 유체를 확실하게 유도할 수 있고, 누설류의 축류 효과를 더욱 향상시켜, 가일층의 누설 유량의 저감이 가능해진다.

본 발명의 제2 형태에 의하면, 회전 기계는, 상기 로터와 상기 스테이터 중 상기 다른 쪽에 있어서 상기 시일 핀의 하류측으로 되는 위치에서, 상기 간극에 대향하는 위치에 설치되어, 상류측을 향해 상기 누설류를 상기 캐비티 내에 있어서의 상기 일측으로 유도하는 단차면을 더 구비하고 있어도 된다.

이러한 단차면에 누설류가 충돌함으로써, 캐비티 내에 소용돌이를 확실하게 생성할 수 있고, 이 결과, 보다 많은 유체를 시일 핀과 유체 도입면 사이에 유도할 수 있으므로, 가일층의 누설 유량의 저감이 가능해진다.

상기한 회전 기계에 의하면, 유체 도입면과의 사이에 소용돌이 중의 유체를 유도함으로써, 간극을 통과하는 누설류를 시일 핀의 하류측에서 압박하여, 누설 유량의 가일층의 저감을 도모하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 증기 터빈을 도시하는 개략 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 증기 터빈을 도시하는 도면으로, 도 1에 있어서의 주요부 I를 도시하는 확대 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 증기 터빈을 도시하는 도면으로, 도 2a에 있어서의 주요부 J를 도시하는 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 증기 터빈을 도시하는 도면으로, 도 1에 있어서의 주요부 I와 동일한 위치에서, 상류측의 캐비티 주변에 대해 도시하는 확대 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태의 변형예에 관한 증기 터빈을 도시하는 도면으로, 도 1에 있어서의 주요부 I와 동일한 위치에서, 상류측의 캐비티 주변에 대해 도시하는 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 증기 터빈을 도시하는 도면으로, 도 1에 있어서의 주요부 I와 동일한 위치에서, 상류측의 캐비티 주변에 대해 도시하는 확대 단면도이다.
도 6a는 본 발명의 제3 실시 형태의 제1 변형예에 관한 증기 터빈을 도시하는 도면으로, 도 1에 있어서의 주요부 I와 동일한 위치에서, 상류측의 캐비티 주변에 대해 도시하는 확대 단면도이다.
도 6b는 본 발명의 제3 실시 형태의 제2 변형예에 관한 증기 터빈을 도시하는 도면으로, 도 1에 있어서의 주요부 I와 동일한 위치에서, 상류측의 캐비티 주변에 대해 도시하는 확대 단면도이다.
도 7은 본 발명의 증기 터빈에 있어서, 스텝부가 설치되어 있지 않은 경우를 도시하는 도면으로, 도 1에 있어서의 주요부 I와 동일한 위치를 도시하는 확대 단면도이다.

〔제1 실시 형태〕

이하, 본 발명의 실시 형태에 관한 증기 터빈(1A)에 대해 설명한다.

증기 터빈(1A)은, 증기(S)의 에너지를 회전 동력으로서 취출하는 외연 기관이며, 발전소에 있어서의 발전기 등에 사용된다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 증기 터빈(1A)은, 케이싱(10)과, 케이싱(10)에 유입되는 증기(S)의 양과 압력을 조정하는 조정 밸브(20)와, 케이싱(10)의 내측에 회전 가능하게 설치되고, 도시하지 않은 발전기 등의 기계에 동력을 전달하는 축체(30)와, 케이싱(10)에 보유 지지된 정익(40)과, 축체(30)에 설치된 동익(50)과, 축체(30)를 축 주위로 회전 가능하게 지지하는 베어링부(60)를 주된 구성으로 하고 있다.

케이싱(10)은, 내부 공간이 기밀하게 밀봉되어 있음과 함께, 증기(S)의 유로로 되어 있다. 이 케이싱(10)의 내벽면에는, 축체(30)가 삽입 관통된 링 형상의 구획판 외륜(스테이터)(11)이 강고하게 고정되어 있다.

조정 밸브(20)는, 케이싱(10)의 내부에 복수개 장착되어 있다. 각각의 조정 밸브(20)는, 도시하지 않은 보일러로부터 증기(S)가 유입되는 조정 밸브실(21)과, 밸브체(22)와, 밸브 시트(23)를 구비하고 있다. 조정 밸브(20)는, 밸브체(22)가 밸브 시트(23)로부터 이격되면 증기 유로가 개방되어, 증기실(24)을 통해 증기(S)가 케이싱(10)의 내부 공간으로 유입되도록 구성되어 있다.

축체(30)는, 축 본체(31)와, 이 축 본체(31)의 외주로부터 직경 방향으로 연장된 복수의 디스크(32)를 구비하고 있다. 이 축체(30)는, 회전 에너지를, 도시하지 않은 발전기 등의 기계에 전달한다.

베어링부(60)는, 저널 베어링 장치(61) 및 스러스트 베어링 장치(62)를 구비하고 있다. 베어링부(60)는, 축체(30)를 회전 가능하게 지지하고 있다.

정익(40)은, 축체(30)를 둘러싸도록 방사 형상으로 다수 배치되어 환 형상 정익군을 구성하고 있고, 각각 전술한 구획판 외륜(11)에 보유 지지되어 있다. 이들 정익(40)의 직경 방향에 있어서의 내측은, 축체(30)가 삽입 관통된 링 형상의 허브 슈라우드(41)로 연결되고, 그 선단부가 축체(30)에 대해 직경 방향으로 간극을 두고 배치되어 있다.

이들 복수의 정익(40)으로 이루어지는 환 형상 정익군은, 축방향으로 간격을 두고 6개 형성되어 있고, 증기(S)의 압력 에너지를 속도 에너지로 변환하여, 하류측에 인접하는 동익(50)측으로 안내하도록 구성되어 있다.

동익(50)은, 축체(30)가 갖는 디스크(32)의 외주부에 강고하게 장착되어 있다. 이 동익(50)은, 각 환 형상 정익군의 하류측에 있어서, 방사 형상으로 다수 배치되어 환 형상 동익군을 구성하고 있다.

이들 환 형상 정익군과 환 형상 동익군은, 1세트 1단으로 되어 있다. 즉, 증기 터빈(1A)은, 6단으로 구성되어 있다. 이 중, 최종단에 있어서의 동익(50)의 선단부는, 주위 방향으로 연장된 팁 슈라우드(로터)(51)로 되어 있다. 이 팁 슈라우드(51)가, 케이싱(10)의 직경 방향에 있어서 구획판 외륜(11)과 간극을 두고 대향하여 배치되어 있다. 그리고, 팁 슈라우드(51)는 구획판 외륜(11)의 팁 슈라우드(51)에 대응하는 부위에 형성된 환 형상 홈(11a) 내에 수용되어 있다.

여기서, 도 2a에 도시하는 바와 같이, 증기 터빈(1A)은, 팁 슈라우드(51)에 설치된 스텝부(52)와, 구획판 외륜(11)으로부터 스텝부(52)를 향해 연장되는 시일 핀(15)과, 시일 핀(15)의 하류측에 대향하여 설치된 구획판(70)을 구비하고 있다.

스텝부(52)는, 최종단의 동익(50)의 선단부로 되는 팁 슈라우드(51)에 설치되고, 단차면(53)을 갖고 구획판 외륜(11)측으로 돌출되어 있다.

본 실시 형태에서는, 팁 슈라우드(51)에는 3개의 스텝부[52(52A∼52C)]가 설치되어 있다. 이들 3개의 스텝부[52(52A∼52C)]는, 축체(30)의 축선(O) 방향의 상류측으로부터 하류측을 향해, 동익(50)으로부터의 돌출 높이가 점차 높아지도록 배치되어 있다. 즉, 스텝부[52(52A∼52C)]에는, 단차를 형성하는 3개의 단차면[53(53A∼53C)]이 축방향 상류측을 향해 형성되어 있다.

여기서, 본 실시 형태에서는, 구획판 외륜(11)의 환 형상 홈(11a)에 있어서의 홈 저면(11b)에 대해서도, 축선(O) 방향에 있어서, 각 스텝부(52)에 대응하도록, 축선(O) 방향을 향해 스텝 형상으로 형성되어 있다.

시일 핀[15(15A∼15C)]은, 구획판 외륜(11)의 홈 저면(11b)으로부터 연장되어 설치된다. 시일 핀[15(15A∼15C)]은, 각각의 스텝부[52(52A∼52C)]에 1:1로 대응하여, 대응하는 스텝부[52(52A∼52C)]와의 사이에, 미소한 간극(H)을 직경 방향으로 형성하도록 설치된다. 이 미소한 간극[H(H1∼H3)]의 각 치수는, 케이싱(10)이나 동익(50)의 열연신량, 동익(50)의 원심 연신량 등을 고려한 후, 양자가 접촉하는 일이 없는 안전한 범위 내에서, 최소의 것으로 설정되어 있다.

여기서, 본 실시 형태에서는, 단차면(53B)은 시일 핀(15A)의 하류측에, 단차면(53C)은 시일 핀(15B)의 하류측에 위치하고 있고, 단차면(53A)은 시일 핀(15A)의 상류측에 위치하고 있다. 그리고, 단차면(53A)에 의해 후술하는 캐비티(C1) 내의 직경 방향 외측에, 단차면(53B)에 의해 후술하는 캐비티(C2) 내의 직경 방향 외측에, 단차면(53C)에 의해 후술하는 캐비티(C3) 내의 직경 방향 외측에 증기(S)가 유도되도록 구성되어 있다.

이러한 구성하에서, 팁 슈라우드(51)측과 구획판 외륜(11) 사이에는, 상기 환 형상 홈(11a) 내에 있어서, 각 스텝부[52(52A∼52C)]에 대응하여 캐비티[C(C1∼C3)]가 형성되어 있다.

캐비티[C(C1∼C3)]는, 각 스텝부[52(52A∼52C)]에 대응한 시일 핀[15(15A∼15C)]과, 이 시일 핀[15(15A∼15C)]에 대해 축선(O) 방향의 상류측에서 대향하는 격벽 사이에 형성되어 있다.

보다 구체적으로는, 축선(O) 방향의 최상류측에 위치하는 제1단째의 스텝부(52A)에 대응하는 제1 캐비티(C1)에서는, 상기 격벽은, 상기 환 형상 홈(11a)의, 축방향 상류측의 내벽면(54)에 의해 형성되어 있다. 따라서, 이 내벽면(54)과 제1단째의 스텝부(52A)에 대응하는 시일 핀(15A) 사이이며, 또한 팁 슈라우드(51)측과 구획판 외륜(11) 사이에, 제1 캐비티(C1)가 형성되어 있다.

또한, 제2단째의 스텝부(52B)에 대응하는 제2 캐비티(C2)에서는, 상기 격벽은, 축방향 상류측에 위치하는 스텝부(52A)에 대응하는 시일 핀(15A)에 의해 형성되어 있다. 따라서, 시일 핀(15A)과 시일 핀(15B) 사이이며, 또한 팁 슈라우드(51)와 구획판 외륜(11) 사이에, 제2 캐비티(C2)가 형성되어 있다.

마찬가지로, 시일 핀(15B)과 시일 핀(15C) 사이이며, 또한 팁 슈라우드(51)와 구획판 외륜(11) 사이에, 제3 캐비티(C3)가 형성되어 있다.

다음으로, 구획판(70)에 대해 설명한다.

구획판(70)은, 각 시일 핀(15)의 하류측에서, 각 시일 핀(15)[본 실시 형태에서는 시일 핀(15A)과 시일 핀(15B)]에 대향하도록, 그리고 각 시일 핀[15(15A, 15B)]과 평행하게, 구획판 외륜(11)의 홈 저면(11b)으로부터 직경 방향 내측으로 연장되어 설치된 환 형상을 이루는 부재이다. 또한, 이 구획판(70)에 있어서는, 대응하는 시일 핀[15(15A, 15B)]과의 사이에서 증기(S)를 도입하는 증기 유로(FC)를 구획 형성함과 함께, 이 직경 방향 외측의 위치에서는, 각 캐비티[C(C1, C2)]에 있어서의 구획판(70)의 하류측의 공간과 증기 유로(FC)를 연통하는 연통부(70b)가 형성되어 있다.

이 연통부(70b)는, 축선(O) 방향으로 구획판(70)을 관통하는 복수의 구멍이어도 되고, 주위 방향으로 서로 간격을 두고 형성되는 슬릿이어도 되고, 주위 방향의 어느 한 위치에서 구획판(70)을 관통하는 것이면, 형상은 어떠한 것이어도 된다.

또한, 구획판(70)은, 대향하는 시일 핀(15)에 리브 등에 의해 지지됨으로써, 각 시일 핀(15)의 하류측에 설치되어 있어도 된다. 이 경우의 연통부(70b)는, 주위 방향 전역에 개구되어 형성된다.

그리고, 이 구획판(70)에 있어서의 직경 방향 내측의 단부 테두리부는, 시일 핀[15(15A, 15B)]보다도 직경 방향 외측에 위치하여, 연장 치수가 시일 핀[15(15A, 15B)]보다도 작게 되어 있지만, 적어도 시일 핀[15(15A, 15B)]의 연장 치수 이하의 치수인 것이 바람직하다.

이와 같이 하여, 구획판(70)은, 대응하는 시일 핀[15(15A, 15B)]에 대향하는 상류측을 향하는 표면인 증기 도입면(유체 도입면)(70a)을 따라, 증기 유로(FC) 내에서 증기(S)를 직경 방향 내측을 향해 유통시켜, 상기 미소한 간극[H(H1∼H3)]으로 증기(S)를 유도한다.

이러한 증기 터빈(1A)에 있어서는, 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 환 형상 정익군과 환 형상 동익군을 순차 통과한다. 이때에는, 압력 에너지가 정익(40)에 의해 속도 에너지로 변환되어, 정익(40)을 거친 증기(S) 중 대부분이 동일한 단을 구성하는 동익(50) 사이로 유입되고, 동익(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, 정익(40)으로부터 유출된 후, 환 형상 홈(11a) 내로 유입되는, 이른바, 누설류로 된다.

여기서, 도 2a에 도시하는 바와 같이, 환 형상 홈(11a) 내에 유입된 증기(S)는, 우선, 제1 캐비티(C1)로 유입되어, 스텝부(52A)의 단차면(53A)에 충돌하고, 상류측으로 되돌아가도록 하여, 도 2a의 지면상에서 반시계 방향으로 회전하는 주 소용돌이(Y1)를 발생한다. 그리고 이와 같이, 스텝부(52A)를 설치함으로써 확실하게 주 소용돌이(Y1)를 생성 가능해진다.

그리고 이때, 특히 스텝부(52A)의 상기 단부 테두리부(55)에 있어서, 상기 주 소용돌이(Y1)로부터 일부의 흐름이 박리됨으로써, 이 주 소용돌이(Y1)와 반대 방향, 본 예에서는 도 2a의 지면상에서 시계 방향으로 회전하도록, 카운터 소용돌이(Y2)를 발생한다. 이 카운터 소용돌이(Y2)는, 시일 핀(15A)과 스텝부(52A) 사이의 미소한 간극(H1)을 빠져나가는 누설류를 직경 방향 내측으로 압박하여, 유량을 저감시키는 축류 효과를 발휘한다.

또한 시일 핀(15B)의 상류측에 있어서도 시일 핀(15A)의 상류측과 마찬가지로, 주 소용돌이(Y1) 및 카운터 소용돌이(Y2)가 형성되어, 누설류의 유량을 저감시키는 축류 효과를 발휘한다.

여기서, 주 소용돌이(Y1)를 형성하는 증기(S)의 일부는, 직경 방향 외측의 연통부(70b)로부터 증기 유로(FC)로 도입되어, 증기 도입면(70a)을 따라 직경 방향 내측에 유통되고, 상기 미소한 간극[H(H1, H2)]을 향해 유도된다. 따라서, 주 소용돌이(Y1)에 있어서의 증기(S)의 유통 방향을 시일 핀[15(15A, 15B)]의 하류측에서 직경 방향 내측을 향하는 방향으로 바꿀 수 있다.

따라서, 도 2b의 파선으로 나타내는 흐름으로부터 실선으로 나타내는 흐름으로 되도록, 미소한 간극[H(H1, H2)]을 통과한 누설류를 직경 방향 내측을 향해 압박할 수 있다. 환언하면, 미소한 간극[H(H1, H2)]의 클리어런스를 의사적으로 작게 하는 것으로 된다.

본 실시 형태의 증기 터빈(1A)에 의하면, 구획판(70)을 각 시일 핀[15(15A, 15B)]의 하류측에 설치함으로써, 미소한 간극[H(H1, H2)]을 통과한 누설류를 직경 방향 내측을 향해 압박하여, 누설류의 축류 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

〔제2 실시 형태〕

다음으로, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 증기 터빈(100)에 대해 설명한다.

또한, 제1 실시 형태와 공통의 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하여 상세 설명을 생략한다.

본 실시 형태에서는, 구획판(103)의 형상이 제1 실시 형태와는 다르다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 구획판(103)은, 직경 방향 외측으로부터 내측을 향함에 따라서, 축선(O)의 주위 방향 단면이 직선 형상을 이루어 상류측으로 경사져 설치되어 있다. 환언하면, 구획판(103)은 증기 유로(FC)가 직경 방향 내측을 향해 서서히 축선(O) 방향으로 좁아져 가도록 설치되어 있다.

이러한 증기 터빈(100)에 의하면, 구획판(103)이 직경 방향 외측에서 하류측을 향해 경사져 있음으로써, 주 소용돌이(Y1)로부터의 증기(S)를 보다 많이 증기 유로(FC)에 도입할 수 있다. 또한, 경사진 구획판(103)에 의해, 직경 방향 내측을 향해 증기 유로(FC)가 서서히 좁아져 가므로, 증기 유로(FC)에 도입된 증기(S)는, 증기 도입면(103a)을 따라 유통하면서 유속을 증대시켜 간다.

따라서, 미소한 간극[H(H1, H2)]을 통과한 누설류를 직경 방향 내측으로 압박하는 힘을 더욱 증대시킬 수 있고, 누설류의 축류 효과를 향상시켜, 가일층의 누설 유량의 저감이 가능해진다.

여기서, 도 4에 도시하는 바와 같이, 구획판(103A)은, 축선(O)의 주위 방향 단면이 곡선 형상을 이루어 설치되어 있어도 된다. 즉, 직경 방향 외측으로부터 내측을 향함에 따라서 상류측으로 만곡되어, 주위 방향 단면이 상류측으로 팽창되는 곡선 형상으로 되어 있고, 직경 방향의 내측에서는, 시일 핀[15(15A, 15B)]과 대략 평행하게 되도록 설치되어 있다. 이러한 형상에 의해 직경 방향 외측에서 보다 많은 증기(S)를 주 소용돌이(Y1)로부터 증기 유로(FC)로 도입할 수 있음과 함께, 직경 방향 내측에서는 증기 유로(FC) 내의 증기(S)의 유통 방향을 직경 방향을 향하는 방향으로 하여, 증기 도입면(103Aa)을 따라 증기(S)를 유통시킬 수 있다. 따라서, 누설류의 축류 효과를 더욱 높일 수 있다.

〔제3 실시 형태〕

다음으로, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 증기 터빈(110)에 대해 설명한다.

또한, 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와 공통의 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하여 상세 설명을 생략한다.

본 실시 형태에서는, 증기 도입면(110a)을 형성하는 부재가 구획판[70(103, 103A] 대신에, 블록 형상 부재(113)인 점에서 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와는 다르다.

도 5에 도시하는 바와 같이, 블록 형상 부재(113)는, 주 소용돌이(Y1)의 내측에 정확히 위치하도록, 환 형상을 이룸과 함께 축선(O) 방향으로 어느 정도의 두께를 갖고 있다. 또한, 이 블록 형상 부재(113)의 주위 방향 단면은 대략 사각 형상을 이루고 있다. 즉, 증기 도입면(113a)은, 각각의 블록 형상 부재(113)가 대응하는 시일 핀[15(15A, 15B)]에 대향하는 표면으로 되어 있다. 또한, 직경 방향 외측의 위치에서는, 각 캐비티[C(C1, C2)]와 증기 유로(FC)를 연통하는 연통부(113b)가 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와 마찬가지로 형성되어 있다.

이러한 증기 터빈(110)에 의하면, 주 소용돌이(Y1)를 블록 형상 부재(113)의 표면을 따라 유통시킬 수 있어, 주 소용돌이(Y1)를 형성하는 증기(S) 전부를 증기 유로(FC) 내로 유도할 수 있다. 따라서, 보다 많은 증기(S)를 미소한 간극[H(H1, H2)]을 향해 유통시킬 수 있어, 미소한 간극[H(H1, H2)]을 통과한 누설류의 축류 효과를 더 얻을 수 있다. 또한, 블록 형상 부재(113)는, 주위 방향 단면이 완전한 사각 형상을 이루고 있어도 되지만, 도 5에 도시하는 바와 같이 코너부가 R 형상으로 되어 둥글게 된 형상인 것이 바람직하다.

또한, 본 실시 형태에서는, 블록 형상 부재(113)의 주위 방향 단면은 사각 형상을 이루고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 적어도 증기 유로(FC)를 유통하는 증기(S)가 미소한 간극[H(H1, H2)]을 통과한 누설류를 축류 가능하면 된다.

예를 들어, 도 6a에 도시하는 바와 같이, 블록 형상 부재(113A)에 있어서의 증기 도입면(113Aa)이 직경 방향 외측으로부터 내측을 향해 상류측으로 경사지도록 형성되어 있어도 된다. 이 경우에는, 제2 실시 형태에서 설명한 바와 같이, 누설류의 축류 효과를 더욱 향상 가능하다. 또한, 블록 형상 부재(113A)는, 도 6a에 도시하는 바와 같이 코너부가 R 형상으로 되어 둥글게 된 형상인 것이 바람직하다.

또한, 도 6b에 도시하는 바와 같이, 블록 형상 부재(113B)에 있어서의 증기 도입면(113Ba) 이외의 표면이, 주 소용돌이(Y1)를 따르도록 주위 방향 단면에서 곡선 형상을 이루고 있어도 된다. 이 경우에는, 블록 형상 부재(113B)가 주 소용돌이(Y1)의 흐름을 방해하는 일이 없으므로, 누설류의 축류 효과를 향상시킬 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 상세를 설명하였지만, 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위 내에 있어서, 다소의 설계 변경도 가능하다.

예를 들어, 도 7에 도시하는 바와 같이, 최종단의 동익(50)의 선단부로 되는 팁 슈라우드(51)에는, 스텝부(52)는 반드시 설치되어 있지는 않아도 된다. 이러한 경우라도, 주 소용돌이(Y1)는 증기(S)의 점성에 의해 생성되는 것이므로, 증기 도입면[70a(103a, 103Aa, 113Aa, 113Ba)]에 의한 누설류의 축류 효과를 얻는 것이 가능하다. 또한, 도 7에서는 구획판 외륜(11)의 환 형상 홈(11a)에 있어서의 홈 저면(11b)에 대해서도 스텝 형상으로 형성되어 있지 않지만, 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태와 마찬가지로 스텝 형상이어도 된다.

또한, 상술한 실시 형태에서는, 동익(50)과 구획판 외륜(11) 사이에 있어서의 누설류의 유량 저감에 대해 설명하였지만, 예를 들어 정익(40)과 축체(30) 사이에 있어서도 마찬가지의 방법을 적용할 수 있다. 또한, 실시 형태에서는 동익(50)의 선단부로 되는 팁 슈라우드(51)에 스텝부[52(52A∼52C)]를 형성하고, 구획판 외륜(11)에 시일 핀[15(15A∼15C)]을 설치하였지만, 예를 들어 반대로, 구획판 외륜(11)에 스텝부(52)를 형성하고, 팁 슈라우드(51)에 시일 핀(15)을 설치해도 된다.

또한, 상술한 실시 형태에서는, 회전 기계의 일례로서 증기 터빈[1A(100, 110)]에 대해 설명하였지만, 가스 터빈이나 압축기 등의 회전 기계여도 되고, 축체(30)에 설치되는 시일 구조에 적용하는 것도 가능하다.

상기한 회전 기계에 의하면, 유체 도입면과의 사이에 소용돌이 중의 유체를 유도함으로써, 간극을 통과하는 누설류를 시일 핀의 하류측에서 압박하여, 누설 유량의 가일층의 저감을 도모하는 것이 가능하다.

1A : 증기 터빈(회전 기계)
10 : 케이싱
11 : 구획판 외륜(스테이터)
11a : 환 형상 홈
11b : 홈 저면
20 : 조정 밸브
21 : 조정 밸브실
22 : 밸브체
23 : 밸브 시트
30 : 축체
31 : 축 본체
32 : 디스크
40 : 정익
41 : 허브 슈라우드
50 : 동익
51 : 팁 슈라우드(로터)
52 : 스텝부
53 : 단차면
54 : 내벽면
55 : 단부 테두리부
60 : 베어링부
61 : 저널 베어링 장치
62 : 스러스트 베어링 장치
70 : 구획판
70a : 증기 도입면(유체 도입면)
70b : 연통부
FC : 증기 유로(공간)
S : 증기
O : 축선
Y1 : 주 소용돌이
Y2 : 카운터 소용돌이
H : 미소한 간극
C : 캐비티
100 : 증기 터빈
103 : 구획판
103a : 증기 도입면
103A : 구획판
110 : 증기 터빈
113 : 블록 형상 부재
113a : 증기 도입면(유체 도입면)
113b : 연통부
113A : 블록 형상 부재
113Aa : 증기 도입면(유체 도입면)
113B : 블록 형상 부재
113Ba : 증기 도입면(유체 도입면)

Claims (8)

1. 축선을 따라 유체가 유통하는 회전 기계에 있어서,
   상기 축선을 중심으로 연장되는 로터와,
   상기 로터의 직경 방향에 대향하여, 상기 축선 주위로 상기 로터에 대해 상대 회전 가능하게 설치된 스테이터와,
   상기 로터와 상기 스테이터 중 한쪽으로부터 다른 쪽으로 연장되어, 상기 다른 쪽과의 사이에 간극을 형성하는 시일 핀과,
   상기 시일 핀의 하류측에 형성되어 상기 간극을 통과하는 누설류에 기초하는 소용돌이가 생성되는 캐비티 내에 상기 시일 핀에 대향하도록 설치되고, 상기 소용돌이에 기초하는 흐름을 상기 간극을 향해 유도하는 유체 도입면을 구비하는, 회전 기계.
2. 제1항에 있어서,
   상기 유체 도입면은, 상기 일측으로부터 상기 타측을 향함에 따라서, 하류측으로부터 상류측을 향하도록 경사져 설치되어 있는, 회전 기계.
3. 제1항에 있어서,
   상기 유체 도입면은, 상기 시일 핀을 따라 설치된 구획판의 상류측을 향하는 표면이고,
   상기 구획판에 있어서의 상기 일측에는, 상기 구획판과 상기 시일 핀 사이에 구획 형성되는 공간과, 상기 캐비티에 있어서의 상기 구획판의 하류측의 공간을 연통하는 연통부가 형성되어 있는, 회전 기계.
4. 제2항에 있어서,
   상기 유체 도입면은, 상기 시일 핀을 따라 설치된 구획판의 상류측을 향하는 표면이고,
   상기 구획판에 있어서의 상기 일측에는, 상기 구획판과 상기 시일 핀 사이에 구획 형성되는 공간과, 상기 캐비티에 있어서의 상기 구획판의 하류측의 공간을 연통하는 연통부가 형성되어 있는, 회전 기계.
5. 제1항에 있어서,
   상기 로터와 상기 스테이터 중 상기 다른 쪽에 있어서 상기 시일 핀의 하류측으로 되는 위치에서, 상기 간극에 대향하는 위치에 설치되어, 상류측을 향해 상기 누설류를 상기 캐비티 내에 있어서의 상기 일측으로 유도하는 단차면을 더 구비하는, 회전 기계.
6. 제2항에 있어서,
   상기 로터와 상기 스테이터 중 상기 다른 쪽에 있어서 상기 시일 핀의 하류측으로 되는 위치에서, 상기 간극에 대향하는 위치에 설치되어, 상류측을 향해 상기 누설류를 상기 캐비티 내에 있어서의 상기 일측으로 유도하는 단차면을 더 구비하는, 회전 기계.
7. 제3항에 있어서,
   상기 로터와 상기 스테이터 중 상기 다른 쪽에 있어서 상기 시일 핀의 하류측으로 되는 위치에서, 상기 간극에 대향하는 위치에 설치되어, 상류측을 향해 상기 누설류를 상기 캐비티 내에 있어서의 상기 일측으로 유도하는 단차면을 더 구비하는, 회전 기계.
8. 제4항에 있어서,
   상기 로터와 상기 스테이터 중 상기 다른 쪽에 있어서 상기 시일 핀의 하류측으로 되는 위치에서, 상기 간극에 대향하는 위치에 설치되어, 상류측을 향해 상기 누설류를 상기 캐비티 내에 있어서의 상기 일측으로 유도하는 단차면을 더 구비하는, 회전 기계.

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