KR20170007476A - 축류 터빈 및 과급기 - Google Patents

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KR20170007476A
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

축류 터빈은, 외주에 복수의 회전 블레이드를 갖는 로터와, 상기 로터의 외주측에 형성되고, 상기 회전 블레이드의 칩면에 대향하는 환상 벽면을 갖는 정지 부재를 구비한다. 상기 축류 터빈의 정지시에 있어서, 상기 회전 블레이드의 후측 가장자리측에 있어서의 상기 칩면과 상기 환상 벽면의 클리어런스가 상기 회전 블레이드의 전측 가장자리측에 비해 크다.

Description

축류 터빈 및 과급기{AXIAL FLOW TURBINE AND SUPERCHARGER}
본 개시는, 로터의 외주에 복수의 회전 블레이드가 배열된 축류 터빈 및 과급기에 관한 것이다.
일반적으로, 축류 터빈은, 케이싱 내에 있어서 축 방향으로 흐르는 유체에 의해, 회전 블레이드가 장착된 로터가 회전하도록 되어 있다.
이와 같은 축류 터빈에 있어서는, 케이싱측의 정지 부재와 회전 블레이드 사이의 칩 클리어런스에 있어서의 리크 흐름이 성능 저하의 주요한 요인으로 되어 있다. 칩 클리어런스는, 통상적으로 터빈 운전 중의 열 변형, 원심 변형, 진동이나 덜거덕거림의 영향 등을 감안한 후, 정지 부재와 회전 블레이드가 접촉하지 않도록 설정된다.
그래서, 축류 터빈의 성능을 개선시키기 위해서, 칩 클리어런스를 저감시킬 것이 요구되고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에는, 회전 블레이드의 선단에 대향하는 정지 부재가 경사 기능 재료를 포함하고, 이 경사 기능 재료가, 유체의 온도 상승에 관계없이 칩 클리어런스를 소정의 값으로 유지하도록 열 변형하도록 한 구성이 기재되어 있다. 또한, 경사 기능 재료란, 선팽창 계수가 낮은 재료와 선팽창 계수가 높은 재료를 복합화한 것으로, 두께 방향 위치 x 가 커짐에 따라 선팽창 계수가 커지는 성질을 갖는다.
일본 공개특허공보 평6-159099호
그런데, 최근, 터빈 성능의 추가적인 향상을 목적으로 하여, 축류 터빈은 작동 유체의 고온화가 진행되거나 회전수가 상승하거나 하는 경향이 있다. 그 때문에, 축류 터빈에 있어서의 회전 블레이드의 열 변형이나 원심 변형이 현저해진다. 축류 터빈의 회전 블레이드는 복잡한 곡면 형상을 갖고 있기 때문에 회전 블레이드의 변형량도 불균일하고, 이러한 회전 블레이드의 변형량을 고려한 후에 러빙이 생기지 않도록 칩 클리어런스를 설정한 경우, 부위에 따라서는 과잉으로 칩 클리어런스를 형성할 필요가 있다. 이로써, 부분적으로 리크 흐름이 증대되어, 리크 흐름에서 기인한 손실은 증대된다.
이 점, 특허문헌 1 에서는, 경사 기능 재료에 의해 운전 중에 있어서의 칩 클리어런스의 저감이 도모되는데, 새롭게 부재를 추가할 필요가 있어, 구조가 복잡화되고, 또 비용의 대폭적인 증가로 이어질 가능성도 있다.
상기 서술한 사정을 감안하여, 본 발명의 적어도 일 실시형태는, 간소한 구조를 가지고, 칩 클리어런스에 있어서의 리크 흐름에서 기인한 손실을 효과적으로 억제할 수 있는 축류 터빈 및 과급기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(1) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 관련된 축류 터빈은,
외주에 복수의 회전 블레이드를 갖는 로터와,
상기 로터의 외주측에 형성되고, 상기 회전 블레이드의 칩면에 대향하는 환상 벽면을 갖는 정지 부재를 구비하는 축류 터빈으로서,
상기 축류 터빈의 정지시에 있어서, 상기 회전 블레이드의 후측 가장자리측에 있어서의 상기 칩면과 상기 환상 벽면의 클리어런스가 상기 회전 블레이드의 전측 가장자리측에 비해 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명자들의 예의 검토의 결과, 축류 터빈에 있어서의 칩 클리어런스의 변화는, 회전 블레이드의 열 변형 및 원심 변형에 의한 영향이 큰 것을 알 수 있다. 이들을 고려하여 본 발명자들이 변형 해석을 실시한 결과, 특히, 회전 블레이드의 후측 가장자리측의 변형량이 전측 가장자리측의 변형량보다 커지는 것을 알아냈다.
그래서, 상기 실시형태에 관련된 축류 터빈은, 축류 터빈의 정지시에 있어서, 회전 블레이드의 후측 가장자리측에 있어서의 칩면과 환상 벽면의 클리어런스가 회전 블레이드의 전측 가장자리측에 비해 커지도록 하고 있다. 이 때문에, 축류 터빈의 운전시, 열이나 원심력에 의해 회전 블레이드가 변형되었을 때에, 변형량이 큰 후측 가장자리측의 쪽이 전측 가장자리측보다 환상 벽면에 가까워지기 때문에, 미리 크게 설정되어 있던 후측 가장자리측의 클리어런스가 좁아져, 변형량이 작은 전측 가장자리측의 클리어런스에 가까워진다. 이로써, 칩 클리어런스를 적정하게 유지할 수 있고, 간소한 구조를 가지고, 칩 클리어런스에 있어서의 리크 흐름에서 기인한 손실을 효과적으로 억제할 수 있다.
(2) 몇 가지 실시형태에서는, 상기 (1) 의 구성에 있어서, 상기 축류 터빈의 정격 운전시에 있어서의 전측 가장자리측의 상기 클리어런스와 후측 가장자리측의 상기 클리어런스 차이가, 상기 축류 터빈의 정지시보다 작다.
이로써, 운전 중에 있어서의 칩면과 환상 벽면의 클리어런스를 유체의 흐름 방향에 관하여 균일화할 수 있다. 또한, 본 명세서에 있어서, 클리어런스를「균일화」한다는 것은, 클리어런스가 균일한 경우뿐만이 아니라, 클리어런스를 균일한 상태에 가깝게 하는 것도 의미한다.
(3) 몇 가지 실시형태에서는, 상기 (1) 또는 (2) 의 구성에 있어서, 상기 칩면은, 적어도 상기 축류 터빈의 정지시에 있어서, 상기 칩면에 대향하는 상기 환상 벽면에 대해 제로보다 큰 경사각을 가짐과 함께, 상기 회전 블레이드의 전측 가장자리측에서 후측 가장자리측을 향하여 상기 클리어런스가 서서히 커지는 경사면이다.
이로써, 회전 블레이드의 후측 가장자리측에 있어서의 칩면과 환상 벽면과의 클리어런스가 회전 블레이드의 전측 가장자리측에 비해 커지는 구조를 용이하게 실현할 수 있다. 또, 환상 벽면이 형성되는 정지 부재측을 이미 형성한 구조로부터 변경하지 않아도 상기 구조를 실현 가능하고, 그 경우, 이미 형성한 축류 터빈으로의 적용이 용이해진다.
(4) 몇 가지 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 구성에 있어서, 상기 환상 벽면은, 적어도 상기 축류 터빈의 정지시에 있어서, 상기 환상 벽면에 대향하는 상기 칩면에 대해 제로보다 큰 경사각을 가짐과 함께, 상기 회전 블레이드의 전측 가장자리측에서 후측 가장자리측을 향하여 상기 클리어런스가 서서히 커지는 경사면이다.
이로써, 회전 블레이드의 후측 가장자리측에 있어서의 칩면과 환상 벽면의 클리어런스가 회전 블레이드의 전측 가장자리측에 비해 커지는 구조를 용이하게 실현할 수 있다. 또, 회전 블레이드를 기존의 구조로부터 변경하지 않아도 상기 구조를 실현 가능하고, 그 경우, 회전 블레이드의 제작이 용이하다.
(5) 몇 가지 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 구성에 있어서, 상기 환상 벽면에는, 상기 로터의 축 방향에 있어서의 상기 회전 블레이드의 전측 가장자리와 후측 가장자리 사이의 위치에 있어서 단차가 형성되어 있고, 상기 환상 벽면은, 상기 단차보다 전측 가장자리측에 비하여, 상기 단차보다 후측 가장자리측의 쪽이 상기 축류 터빈의 직경 방향 외측에 위치한다.
(6) 일 실시형태에서는, 상기 (5) 의 구성에 있어서, 상기 환상 벽면에는, 상기 회전 블레이드의 후측 가장자리의 위치를 포함하는 축 방향 범위에 있어서 오목부가 형성되어 있고, 상기 오목부를 형성하는 전측 가장자리측의 벽면이, 상기 단차를 구성하고 있다.
상기 (5) 또는 (6) 의 구성에 의하면, 환상 벽면의 단차에 의해, 회전 블레이드의 후측 가장자리측에 있어서의 칩면과 환상 벽면의 클리어런스가 회전 블레이드의 전측 가장자리측에 비해 커지는 구조를 실현할 수 있다. 또, 미소한 경사각을 형성하지 않아도 환상 벽면의 단차에 의해서만 상기 구조가 실현 가능하고, 이 경우, 미소한 경사각을 형성하기 위한 가공이 불필요해져, 환상 벽면의 가공이 용이하다.
(7) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 관련된 과급기는,
내연 기관으로부터의 배기 가스에 의해 구동되도록 구성된 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 것에 기재된 축류 터빈과,
상기 축류 터빈에 의해 구동되어, 상기 내연 기관에 공급되는 흡기를 압축하도록 구성된 압축기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이로써, 축류 터빈에 있어서의 리크 흐름에서 기인한 손실을 억제할 수 있기 때문에, 과급기에 있어서의 효율 향상으로도 이어진다.
본 발명의 적어도 일 실시형태에 의하면, 미리 크게 설정되어 있던 후측 가장자리측의 클리어런스가 좁아져, 유체의 흐름 방향에 있어서 운전시에 있어서의 클리어런스를 균일화할 수 있다.
도 1 은 일 실시형태에 관련된 과급기의 전체 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2 는 일 실시형태에 관련된 축류 터빈의 회전 블레이드 및 정지 부재를 나타내는 부분 단면도이다.
도 3 은 다른 실시형태에 관련된 축류 터빈의 회전 블레이드 및 정지 부재를 나타내는 부분 단면도이다.
도 4 는 다른 실시형태에 관련된 축류 터빈의 회전 블레이드 및 정지 부재를 나타내는 부분 단면도이다.
도 5 는 다른 실시형태에 관련된 축류 터빈의 회전 블레이드 및 정지 부재를 나타내는 부분 단면도이다.
도 6 은 회전 블레이드의 날개형의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7 은 해석에 의한 회전 블레이드의 변형을 나타내고, (a) 는 축류 터빈의 정지시에 있어서의 변형 전의 회전 블레이드를 나타내는 도면이고, (b) 는 축류 터빈의 운전시에 있어서의 변형시의 회전 블레이드를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 몇 가지 실시형태에 대해 설명한다. 단, 실시형태로서 기재되어 있거나 또는 도면에 나타나 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은, 본 발명의 범위를 이것에 한정하는 취지가 아니라 단순한 설명예에 지나지 않는다.
먼저, 도 1 을 참조하여, 본 실시형태에 관련된 축류 터빈 (2) 을 구비하는 과급기 (1) 에 대해 설명한다. 도 1 은, 일 실시형태에 관련된 과급기 (1) 의 전체 구성을 나타내는 단면도 (종단면도) 이고, 일례로서 선박용의 배기 터빈 과급기를 나타내고 있다. 또한, 과급기 (1) 의 종류 및 적용처는 이것에 한정되는 것은 아니다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 일 실시형태에 관련된 과급기 (1) 는, 내연 기관 (예를 들어 선박용 디젤 기관) 으로부터의 배기 가스에 의해 구동되도록 구성된 축류 터빈 (2) 과, 이 축류 터빈 (2) 에 의해 구동되어, 내연 기관에 공급되는 흡기를 압축하도록 구성된 압축기 (3) 를 구비한다.
구체적인 구성예로서, 축류 터빈 (2) 과 압축기 (3) 사이에는 베어링대 (4) 가 형성되어 있다. 축류 터빈 (2) 의 터빈 케이싱 (21) 과 베어링대 (4) 와 압축기 (3) 의 압축기 케이싱 (31) 은, 체결 부재 (예를 들어 볼트) 등의 연결 수단에 의해 일체적으로 구성된다. 베어링대 (4) 에는, 스러스트 베어링 (41) 과 레디얼 베어링 (42, 43) 이 수용되어 있다. 이들 스러스트 베어링 (41) 및 레디얼 베어링 (42, 43) 에 의해, 로터 (5) 가 자유롭게 회전할 수 있도록 지지되어 있다. 로터 (5) 의 일단측에는 축류 터빈 (2) 의 회전 블레이드 (10) 가 연결되어 있고, 타단측에는 압축기 (3) 의 날개차 (32) 가 연결되어 있다.
축류 터빈 (2) 은, 로터 (5)(실제로는 로터 (5) 의 일단측) 와, 로터 (5) 의 외주에 식설 (植設) 된 복수의 회전 블레이드 (10) 와, 로터 (5) 및 회전 블레이드 (10) 의 외주측에 형성된 터빈 케이싱 (21) 을 포함한다. 터빈 케이싱 (21) 에는, 지지 부재 (26) 를 개재하여 정지 부재 (22) 가 장착되어 있다. 터빈 케이싱 (21) 및 정지 부재 (22) 를 포함하는 정지계 부재에 의해, 배기 가스가 흐르는 입구 통로 (27) 와 축 방향 통로 (28) 와 출구 통로 (29) 가, 배기 가스의 흐름 방향에 있어서 순서대로 형성되어 있다. 축 방향 통로 (28) 는, 입구 통로 (27) 와 출구 통로 (29) 사이에 위치하고, 로터 (5) 의 회전축 (O) 을 따라 연장되어 있다. 이 축 방향 통로 (28) 에 회전 블레이드 (10) 가 형성되어 있다. 또, 회전 블레이드 (10) 의 입구측에는 터빈 노즐 (정익)(25) 이 형성되어 있다.
이 축류 터빈 (2) 에 있어서는, 내연 기관 (도시 생략) 으로부터의 배기 가스가 입구 통로 (27) 로부터 도입되어, 축 방향 통로 (28) 를 흐르는 배기 가스에 의해 회전 블레이드 (10) 에 연결된 로터 (5) 가 회전하도록 되어 있다. 회전 블레이드 (10) 를 통과한 배기 가스는, 출구 통로 (29) 를 지나 배출된다. 또한, 축류 터빈 (2) 의 구체적인 구성에 대해서는 후술한다.
압축기 (3) 는, 원심 압축기로서, 로터 (5)(실제로는 로터 (5) 의 타단측) 와, 로터 (5) 의 외주에 형성된 날개차 (32) 와, 로터 (5) 및 날개차 (32) 의 외주측에 형성된 압축기 케이싱 (31) 을 포함한다. 압축기 케이싱 (31) 을 포함하는 정지계 부재에 의해, 공기 입구 (37) 및 출구 스크롤 (38) 이 형성되어 있다. 공기 입구 (37) 와 출구 스크롤 (38) 사이에는, 공기의 흐름 방향에 있어서 순서대로 날개차 (32) 와 디퓨저 (36) 가 배치되어 있다. 날개차 (32) 는, 로터 (5) 의 외주에 고정된 원반상의 허브 (33) 와, 허브 (33) 에 고정되고 그 허브 (33) 에 대해 방사상으로 배열된 복수의 날개 (베인)(34) 를 갖는다.
이 압축기 (3) 에 있어서, 공기 입구 (37) 로부터 도입된 공기는, 날개차 (32), 디퓨저 (36) 및 출구 스크롤 (38) 을 통과할 때에 승압되도록 되어 있다. 압축기 (3) 로 압축된 공기는, 내연 기관 (도시 생략) 에 보내진다.
여기서, 도 2 ∼ 도 7 을 참조하여, 본 실시형태에 관련된 축류 터빈 (2) 에 대해 상세히 서술한다. 도 2 ∼ 도 5 는, 각 실시형태에 관련된 축류 터빈 (2) 의 회전 블레이드 (10) 및 정지 부재 (22) 를 각각 나타내는 부분 단면도이다. 도 6 은, 회전 블레이드 (10) 의 날개형의 일례를 나타내는 도면이다. 도 7 은, 해석에 의한 회전 블레이드의 변형을 나타내는 도면이다. 또한, 도 2 ∼ 도 5 에 있어서, 실선으로 나타내는 회전 블레이드 (10) 는 축류 터빈 (2) 의 정지시에 있어서의 상태를 나타내고 있고, 점선으로 나타내는 회전 블레이드 (10') 는 축류 터빈 (2) 의 운전시 (예를 들어 정격 운전시) 에 있어서의 상태를 나타내고 있다. 도 6 및 도 7 은, 일례로서 도 1 에 나타내는 바와 같은 과급기 (1) 에 적용되는 축류 터빈 (2) 의 회전 블레이드 (10) 를 나타내고 있다. 단, 본 실시형태에 관련된 축류 터빈 (2) 은 이 타입에 한정되는 것은 아니다.
도 2 ∼ 도 5 에 나타내는 바와 같이, 몇 가지 실시형태에 관련된 축류 터빈 (2) 은, 로터 (5)(도 1 참조) 의 외주에 식설된 복수의 회전 블레이드 (10) 와, 로터 (5) 의 외주측에 형성되고, 회전 블레이드 (10) 의 칩면 (11) 에 대향하는 환상 벽면 (23) 을 갖는 정지 부재 (22) 를 포함하고 있다. 이들 도면에 있어서, 회전 블레이드 (10) 의 하방의 기부 (도시 생략) 가 로터 (5) 에 장착되고, 회전 블레이드 (10) 의 상방에 칩면 (11) 이 형성되어 있다.
회전 블레이드 (10) 는, 로터 (5) 의 외주면을 따라 둘레 방향에 등간격으로 복수 형성된다. 회전 블레이드 (10) 는, 로터 (5) 측으로부터 반경 방향 외방을 향하여 연장되도록 배치된다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 반경 방향 외방이란, 로터 (5) 의 회전축 (O)(도 1 참조) 을 중심으로 한 축류 터빈 (2) 의 반경 방향 내측 (로터 (5) 측) 에서 외측 (정지 부재 (22) 측) 을 향하는 방향을 말한다.
정지 부재 (22) 의 환상 벽면 (23) 과 회전 블레이드 (10) 의 칩면 (11) 사이에는, 칩 클리어런스 (이하, 간단히 클리어런스로 칭한다)(20) 가 형성되어 있다. 통상적으로 클리어런스 (20) 는, 축류 터빈 (2) 의 운전시에 회전 블레이드 (10) 와 정지 부재 (22) 가 접촉하지 않도록 설정되어 있다.
도 6 에 나타내는 바와 같이, 일 실시형태에 있어서, 회전 블레이드 (10) 의 날개형은, 작동 유체의 흐름 방향에 있어서 상류측에 위치하는 전측 가장자리 (12) 와 하류측에 위치하는 후측 가장자리 (13) 를 갖는다. 전측 가장자리 (12) 와 후측 가장자리 (13) 사이에는, 일측에 복면 (압력면)(14) 이 형성되고, 타측에 배면 (부압면)(15) 이 형성되어 있다. 또, 날개형은, 캠버 라인 (날개형 중심선) 과 작동 유체의 흐름 방향이 이루는 각도가 서서히 커지도록 만곡되어 있다.
이와 같은 날개형에 있어서는, 통상적으로 웨이크에 의한 로스를 저감시킬 목적으로, 회전 블레이드 (10) 의 후측 가장자리 (13) 의 두께를 작게 하고 있다. 한편, 축류 터빈 (2) 에 있어서는, 작동 유체의 고온화가 진행되거나 회전수가 상승하거나 하는 경향이 있다. 그 때문에, 축류 터빈 (2) 에 있어서의 회전 블레이드의 열 변형이나 원심 변형이 현저해진다. 또, 회전 블레이드 (10) 는 형상이 복잡한 곡면에 의해 형성되는 점에서, 각 부위에 있어서의 변형량도 불균일해진다. 그 때문에, 이러한 회전 블레이드 (10) 의 변형량을 고려한 후에 러빙을 발생시키지 않도록, 도 2 ∼ 도 5 에 나타내는 클리어런스 (20) 를 설정한 경우, 부위에 따라서는 과잉으로 클리어런스 (20) 를 형성할 필요가 있다. 이로써, 클리어런스 (20) 에 있어서의 리크 흐름에서 기인한 손실이 증대된다.
리크 흐름에서 기인한 손실을 저감시키는 것을 목적으로 하여, 본 발명자들은 회전 블레이드 (10) 의 변형에 대해 검토를 거듭한 결과, 축류 터빈 (2) 에 있어서의 클리어런스 (20) 의 변화는, 주로 회전 블레이드 (10) 의 열 변형 및 원심 변형에서 기인하여 발생하는 것이 명확해졌다. 또한 본 발명자들은, 회전 블레이드 (10) 의 변형 해석을 실시한 결과, 도 7 에 나타내는 해석 결과가 얻어졌다. 또한, 이 변형 해석에서는, 회전 블레이드 (10) 의 형상에 영향을 주는 인자로서, 회전 블레이드 (10) 에 작용하는 원심력 (원심 변형) 과, 회전 블레이드 (10) 의 온도 (열 변형) 를 해석 조건에 포함하고 있다. 도 7(a) 는, 축류 터빈 (2) 의 정지시에 있어서의 변형 전의 회전 블레이드 (10) 를 나타내고 있고, 도 7(b) 는, 축류 터빈 (2) 의 운전시에 있어서의 변형시의 회전 블레이드 (10') 을 나타내고 있다.
이들의 도면을 대비시키면, 회전 블레이드 (10, 10') 의 후측 가장자리 (13) 측의 쪽이 전측 가장자리 (12) 측보다 변형량이 큰 것을 알 수 있다. 그 때문에, 예를 들어, 후측 가장자리 (13) 측이 정지 부재 (22) 에 접촉하지 않도록 클리어런스 (20) 를 설정한 경우, 축류 터빈 (2) 의 운전시에 전측 가장자리 (12) 측의 쪽이 후측 가장자리 (13) 측보다 클리어런스 (20) 의 여유도가 커져, 그 만큼 리크 흐름이 증가하기 때문에, 터빈 성능이 저하된다.
그래서, 도 2 ∼ 도 5 에 나타내는 바와 같이 본 실시형태에 있어서는, 축류 터빈 (2) 의 정지시에 있어서, 회전 블레이드 (10) 의 후측 가장자리 (13) 측에 있어서의 칩면 (11) 과 환상 벽면 (23) 의 클리어런스 (20) 가, 회전 블레이드 (10) 의 전측 가장자리 (12) 측에 있어서의 칩면 (11) 과 환상 벽면 (23) 의 클리어런스 (20) 에 비해 커지도록 회전 블레이드 (10) 를 형성하고 있다.
구체적으로는, 후측 가장자리 (13) 에 있어서의 클리어런스 (d2) 와 전측 가장자리 (12) 에 있어서의 클리어런스 (d1) 의 관계가 d2 ＞ d1 로 되어 있다. 또한, 도 2 ∼ 도 5 에 있어서는, 후측 가장자리 (13) 에 있어서의 클리어런스 (d2) 와 전측 가장자리 (12) 에 있어서의 클리어런스 (d1) 를 비교 대상으로 하여 각각 예시하고 있는데, 비교 대상이 되는 2 개의 클리어런스 (d1, d2) 의 위치는 이들에 한정되는 것은 아니다. 즉, 회전 블레이드 (10) 의 후측 가장자리 (13) 측의 영역 중 어느 위치에 있어서의 클리어런스 (d2) 와, 회전 블레이드 (10) 의 전측 가장자리 (12) 측의 영역 중 어느 위치에 있어서의 클리어런스 (d1) 가 상기 서술한 관계 (d2 ＞ d1) 를 갖고 있으면 된다. 예를 들어, 후측 가장자리 (13) 의 칩면 (11) 에, 환상 벽면 (23) 과 접촉하는 것을 상정한 후에 반경 방향 외방으로 융기된 가장자리부 (스케일러 등) 가 형성되어 있는 경우, 이 가장자리부에 있어서의 클리어런스 (20) 는, 전측 가장자리 (12) 측의 클리어런스 (20) 보다 작아지지만, 후측 가장자리 (13) 측의 다른 부위에 있어서의 클리어런스 (d2) 가 전측 가장자리 (12) 측의 클리어런스 (d1) 보다 크면 본 실시형태에 포함된다.
상기 실시형태에 의하면, 축류 터빈 (2) 의 정지시에 있어서, 회전 블레이드 (10) 의 후측 가장자리 (13) 측에 있어서의 칩면 (11) 과 환상 벽면 (23) 의 클리어런스 (20)(d2) 이 회전 블레이드 (10) 의 전측 가장자리 (12) 측에 있어서의 클리어런스 (20)(d1) 에 비해 커지도록 하고 있다. 이 때문에, 축류 터빈 (2) 의 운전시, 열이나 원심력에 의해 변형된 회전 블레이드 (10') 에 있어서, 변형량이 큰 후측 가장자리 (13) 측의 쪽이 전측 가장자리 (12) 측보다 환상 벽면 (23) 에 가까워지기 때문에, 미리 크게 설정되어 있던 후측 가장자리 (13) 측의 클리어런스 (20)(d2) 가 좁아져, 변형량이 작은 전측 가장자리 (12) 측의 클리어런스 (20)(d1) 에 가까워진다. 이로써, 클리어런스 (20) 를 적정하게 유지할 수 있고, 간소한 구조를 가지고, 클리어런스 (20) 에 있어서의 리크 흐름에서 기인한 손실을 효과적으로 억제할 수 있다.
이 경우, 축류 터빈 (2) 의 정격 운전시에 있어서의 전측 가장자리 (12) 측과 후측 가장자리 (13) 측의 클리어런스 (20) 의 차가, 축류 터빈 (2) 의 정지시에 있어서의 전측 가장자리 (12) 측과 후측 가장자리 (13) 측의 클리어런스 (20) 의 차보다 작다. 구체적으로는, 축류 터빈 (2) 의 정격 운전시에 있어서의 클리어런스 (20) 의 차 (d2 - d1) 의 절대값이, 축류 터빈 (2) 의 정지시에 있어서의 클리어런스 (20) 의 차 (d2 - d1) 의 절대값보다 작다.
축류 터빈 (2) 이 정격 운전에 달했을 때에는, 회전 블레이드 (10') 에 대해 최대로 가까운 원심력이 작용하고 있고, 또 회전 블레이드 (10') 에는 최고 온도에 가까운 온도 상승이 보여진다. 그 때문에, 축류 터빈 (2) 의 정격 운전시에 있어서, 회전 블레이드 (10') 의 전측 가장자리 (12) 측과 후측 가장자리 (13) 측의 클리어런스 (20) 의 차 (d2 - d1) 가 작아지도록 구성함으로써, 축류 터빈 (2) 의 운전 중에 있어서의 칩면 (11') 과 환상 벽면 (23) 의 클리어런스 (20) 를 유체의 흐름 방향에 관하여 균일화할 수 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 클리어런스 (20) 를「균일화」한다는 것은, 클리어런스 (20) 가 균일한 경우 뿐만 아니라, 클리어런스 (20) 를 균일한 상태에 가깝게 하는 것도 의미한다.
이하, 도 2 ∼ 도 5 의 각 실시형태에 대하여, 각각 구체적으로 설명한다.
도 2 에 나타내는 바와 같이, 일 실시형태에 있어서는, 회전 블레이드 (10) 의 칩면 (11) 은, 적어도 축류 터빈 (2) 의 정지시에 있어서, 환상 벽면 (23) 에 대해 제로보다 큰 경사각 (θ1) 을 가짐과 함께, 전측 가장자리 (12) 측에서 후측 가장자리 (13) 측을 향하여 클리어런스 (20) 가 서서히 커지는 경사면이다. 예를 들어, 환상 벽면 (23) 이 로터 (5) 의 회전축 (O)(도 1 참조) 에 평행하게 형성되어 있는 경우, 회전 블레이드 (10) 의 칩면 (11) 은, 로터 (5) 의 회전축 (O) 에 대해서도 제로보다 큰 경사각 (θ1) 을 갖는다. 또한, 환상 벽면 (23) 은, 로터 (5) 의 회전축 (O) 에 대해 경사져 있어도 된다. 이 경우에는, 로터 (5) 의 회전축 (O) 에 대한 칩면 (11) 의 각도는, 경사각 (θ1) 과는 일치하지 않는다.
환상 벽면 (23) 은, 유체의 흐름 방향에 있어서의 회전 블레이드 (10) 의 칩면 (11) 이 연장되는 범위에 있어서, 요철이나 단차가 존재하지 않고, 흐름 방향을 따른 단면이 직선상이 되도록 형성되어 있어도 된다. 혹은, 도시하지 않지만 환상 벽면 (23) 은, 미소한 곡률을 갖고 만곡하도록 (예를 들어 환상 벽면 (23) 보다 반경 방향 내방 또는 반경 방향 외방에 곡률 중심이 위치하는 곡선상으로) 형성되어 있어도 된다.
한편, 경사면에 의해 형성되는 칩면 (11) 은, 도시하는 바와 같이 유체의 흐름 방향을 따른 단면이 직선상이 되도록 형성되어 있어도 된다. 혹은, 도시하지 않지만 칩면 (11) 은, 미소한 곡률을 갖고 만곡하도록 (예를 들어 환상 벽면 (23) 을 따른 곡선상으로) 형성되어 있어도 된다. 즉, 본 실시형태에 있어서 칩면 (11) 에 있어서의 경사면이란, 만곡면도 포함하는 것이다.
이로써, 회전 블레이드 (10) 의 후측 가장자리 (13) 측에 있어서의 칩면 (11) 과 환상 벽면 (23) 의 클리어런스 (20) 가 회전 블레이드 (10) 의 전측 가장자리 (12) 측에 있어서의 칩면 (11) 에 비해 커지는 구조를 용이하게 실현할 수 있다. 이 때문에, 축류 터빈 (2) 의 운전시의 회전 블레이드 (10') 에 있어서는, 변형량이 큰 후측 가장자리 (13) 측의 칩면 (11') 쪽이 전측 가장자리 (12) 측보다 환상 벽면 (23) 에 가까워지므로, 클리어런스 (20) 를 적정하게 유지할 수 있고, 간소한 구조를 가지고, 클리어런스 (20) 에 있어서의 리크 흐름에서 기인한 손실을 효과적으로 억제할 수 있다.
또, 환상 벽면 (23) 이 형성되는 정지 부재 (22) 측을 이미 형성한 구조로부터 변경하지 않아도 상기 구조를 실현 가능하고, 그 경우, 이미 형성한 축류 터빈 (2) 으로의 적용이 용이해진다.
도 3 에 나타내는 바와 같이, 다른 실시형태에 있어서는, 환상 벽면 (23) 은, 적어도 축류 터빈 (2) 의 정지시에 있어서, 칩면 (11) 에 대해 제로보다 큰 경사각 (θ2) 을 가짐과 함께, 전측 가장자리 (12) 측에서 후측 가장자리 (13) 측을 향하여 클리어런스 (20) 가 서서히 커지는 경사면이다. 예를 들어, 회전 블레이드 (10) 의 칩면 (11) 이 로터 (5) 의 회전축 (O)(도 1 참조) 에 평행하게 형성되어 있는 경우, 환상 벽면 (23) 은, 로터 (5) 의 회전축 (O) 에 대해서도, 제로보다 큰 경사각 (θ2) 을 갖는다. 또한, 회전 블레이드 (10) 의 칩면 (11) 은, 로터 (5) 의 회전축 (O) 에 대해 경사져 있어도 된다. 이 경우에는, 로터 (5) 의 회전축 (O) 에 대한 환상 벽면 (23) 의 각도는, 경사각 (θ2) 과는 일치하지 않는다.
회전 블레이드 (10) 의 칩면 (11) 은, 유체의 흐름 방향을 따른 단면이 직선상이 되도록 형성되어 있어도 된다. 혹은, 도시하지 않지만 칩면 (11) 은, 미소한 곡률을 갖고 만곡하도록 (예를 들어 칩면 (11) 보다 반경 방향 내방 또는 반경 방향 외방에 곡률 중심이 위치하는 곡선상으로) 형성되어 있어도 된다.
한편, 경사면에 의해 형성되는 환상 벽면 (23) 은, 도시하는 바와 같이, 유체의 흐름 방향에 있어서의 회전 블레이드 (10) 의 칩면 (11) 이 연장되는 범위에 있어서, 요철이나 단차가 존재하지 않고, 흐름 방향을 따른 단면이 직선상이 되도록 형성되어 있어도 된다. 혹은, 도시하지 않지만 환상 벽면 (23) 은, 미소한 곡률을 갖고 만곡하도록 (예를 들어 칩면 (11) 을 따른 곡선상으로) 형성되어 있어도 된다. 즉, 본 실시형태에 있어서 환상 벽면 (23) 에 있어서의 경사면이란, 만곡면을 포함하는 것이다.
이로써, 회전 블레이드 (10) 의 후측 가장자리 (13) 측에 있어서의 칩면 (11) 과 환상 벽면 (23) 의 클리어런스 (20) 가 회전 블레이드 (10) 의 전측 가장자리 (12) 측의 칩면 (11) 에 비해 커지는 구조를 용이하게 실현할 수 있다. 이 때문에, 축류 터빈 (2) 의 운전시의 회전 블레이드 (10') 에 있어서는, 변형량이 큰 후측 가장자리 (13) 측의 칩면 (11') 쪽이 전측 가장자리 (12) 측보다 환상 벽면 (23) 에 가까워지므로, 클리어런스 (20) 를 적정하게 유지할 수 있고, 간소한 구조를 가지고, 클리어런스 (20) 에 있어서의 리크 흐름에서 기인한 손실을 효과적으로 억제할 수 있다.
또, 회전 블레이드 (10) 를 기존의 구조로부터 변경하지 않아도 상기 구조를 실현 가능하고, 그 경우, 회전 블레이드 (10) 의 제작이 용이하다.
도 4 에 나타내는 바와 같이, 다른 실시형태에 있어서는, 환상 벽면 (23) 에는, 로터 (5) 의 축 방향 (또는 유체의 흐름 방향) 에 있어서의 회전 블레이드 (10) 의 전측 가장자리 (12) 와 후측 가장자리 (13) 사이의 위치에 있어서 단차 (23a) 가 형성되어 있다. 이 환상 벽면 (23) 은, 단차 (23a) 보다 전측 가장자리 (12) 측의 환상 벽면 (23b) 에 비하여, 단차 (23a) 보다 후측 가장자리 (13) 측의 환상 벽면 (23c) 의 쪽이 축류 터빈 (2) 의 직경 방향 외측에 위치한다. 또, 단차 (23a) 는, 로터 (5) 의 회전축 (O) 을 중심으로 하여 둘레 방향에 환상으로 형성된다. 동 도면에 나타내는 예에서는, 단차 (23a) 가 로터 (5) 의 축 방향에 있어서 1 개 지점에 형성되어 있다. 단, 단차 (23a) 는, 로터 (5) 의 축 방향에 있어서 적어도 1 개 지점에 형성되어 있으면 되고, 예를 들어, 로터 (5) 의 축 방향에 복수의 단차 (23a) 가 형성되어 있어도 된다. 그 경우, 복수의 단차 (23a) 의 각각에 있어서, 단차 (23a) 보다 전측 가장자리 (12) 측의 환상 벽면 (23b) 에 비하여, 단차 (23a) 보다 후측 가장자리 (13) 측의 환상 벽면 (23c) 의 쪽이 축류 터빈 (2) 의 직경 방향 외측에 위치하도록 해도 된다. 즉, 전측 가장자리 (12) 측에서 후측 가장자리 (13) 측을 향하여, 환상 벽면 (23) 이 계단상으로 확경되도록 해도 된다.
상기 구성에 의하면, 환상 벽면 (23) 의 단차 (23a) 에 의해, 회전 블레이드 (10) 의 후측 가장자리 (13) 측에 있어서의 칩면 (11) 과 환상 벽면 (23) 의 클리어런스 (20) 가 회전 블레이드 (10) 의 전측 가장자리 (12) 측의 칩면 (11) 에 비해 커지는 구조를 실현할 수 있다. 이 때문에, 축류 터빈 (2) 의 운전시의 회전 블레이드 (10') 에 있어서는, 변형량이 큰 후측 가장자리 (13) 측의 칩면 (11') 의 쪽이 전측 가장자리 (12) 측보다 환상 벽면 (23) 에 가까워지므로, 클리어런스 (20) 를 적정하게 유지할 수 있고, 간소한 구조를 가지고, 클리어런스 (20) 에 있어서의 리크 흐름에서 기인한 손실을 효과적으로 억제할 수 있다.
또, 미소한 경사각을 형성하지 않아도 환상 벽면 (23) 의 단차 (23a) 에 의해서만 상기 구조가 실현 가능하고, 이 경우, 미소한 경사각을 형성하기 위한 가공이 불필요해져, 환상 벽면 (23) 의 가공이 용이하다.
도 5 에 나타내는 바와 같이, 다른 실시형태에 있어서는, 환상 벽면 (23) 에는, 로터 (5) 의 축 방향 (또는 유체의 흐름 방향) 에 있어서의 회전 블레이드 (10) 의 전측 가장자리 (12) 와 후측 가장자리 (13) 사이의 위치에 있어서 단차 (23a) 가 형성되어 있다. 이 환상 벽면 (23) 은, 단차 (23a) 보다 전측 가장자리 (12) 측에 비하여, 단차 (23a) 보다 후측 가장자리 (13) 측의 쪽이 축류 터빈 (2) 의 직경 방향 외측에 위치한다. 또, 환상 벽면 (23) 에는, 회전 블레이드 (10) 의 후측 가장자리 (13) 의 위치를 포함하는 축 방향 범위에 있어서 오목부 (23d) 가 형성되어 있고, 오목부 (23d) 를 형성하는 전측 가장자리 (12) 측의 환상 벽면 (23) 이 상기 단차 (23a) 를 구성하고 있다. 이 오목부 (23d) 는, 로터 (5) 의 회전축 (O) 을 중심으로 한 둘레 방향을 따라 환상으로 형성된다. 구체적으로는, 로터 (5) 의 축 방향 (또는 유체의 흐름 방향) 에 있어서, 오목부 (23d) 를 형성하는 전측 가장자리측의 단차 (23a) 는 전측 가장자리 (12) 와 후측 가장자리 (13) 사이에 위치하고, 오목부 (23d) 를 형성하는 후측 가장자리측의 단차 (23e) 는 후측 가장자리 (13) 보다 하류측에 위치한다. 또한, 전측 가장자리측의 단차 (23a) 와 후측 가장자리측의 단차 (23e) 사이에 있어서의 환상 벽면 (23) 은, 반경 방향 외방으로 패인 형상으로 되어 있다. 또한, 오목부 (23d) 보다 흐름 방향 상류측의 환상 벽면 (23b) 과, 오목부 (23d) 보다 흐름 방향 하류측의 환상 벽면 (23f) 은, 유체의 흐름 방향을 따른 단면에 있어서 동일 직선 상에 형성되어 있어도 되고, 상이한 직선 상에 형성되어 있어도 된다.
상기 구성에 의하면, 환상 벽면 (23) 의 오목부 (23d) 에 의해, 회전 블레이드 (10) 의 후측 가장자리 (13) 측에 있어서의 칩면 (11) 과 환상 벽면 (23) 의 클리어런스 (20) 가 회전 블레이드 (10) 의 전측 가장자리 (12) 측의 칩면 (11) 에 비해 커지는 구조를 실현할 수 있다. 이 때문에, 축류 터빈 (2) 의 운전시의 회전 블레이드 (10') 에 있어서는, 변형량이 큰 후측 가장자리 (13) 측의 칩면 (11') 의 쪽이 전측 가장자리 (12) 측보다 환상 벽면 (23) 에 가까워지므로, 클리어런스 (20) 를 적정하게 유지할 수 있고, 간소한 구조를 가지고, 클리어런스 (20) 에 있어서의 리크 흐름에서 기인한 손실을 효과적으로 억제할 수 있다.
또, 미소한 경사각을 형성하지 않아도 환상 벽면 (23) 의 오목부 (23d) 에 의해서만 상기 구조가 실현 가능하고, 이 경우, 미소한 경사각을 형성하기 위한 가공이 불필요해져, 환상 벽면 (23) 의 가공이 용이하다.
상기 서술한 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 의하면, 축류 터빈 (2) 의 운전시, 열이나 원심력에 의해 회전 블레이드 (10) 가 변형되었을 때에, 변형량이 큰 후측 가장자리 (13) 측의 쪽이 전측 가장자리 (12) 측보다 환상 벽면 (23) 에 가까워지기 때문에, 미리 크게 설정되어 있던 후측 가장자리 (13) 측의 클리어런스 (20) 가 좁아져, 유체의 흐름 방향에 있어서 운전시에 있어서의 클리어런스 (20) 를 균일화할 수 있다. 이로써, 간소한 구조를 갖고, 클리어런스 (20) 에 있어서의 리크 흐름에서 기인한 손실을 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명은 상기 서술한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 상기 서술한 실시형태에 변형을 더한 형태나, 이들 형태를 적절히 조합한 형태도 포함한다.
상기 실시형태에서는 일례로서 본 실시형태에 관련된 축류 터빈 (2) 의 적용처로서 과급기 (1) 에 대해 설명했지만, 본 실시형태에 관련된 축류 터빈 (2) 의 적용처는 과급기 (1) 에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 실시형태에 관련된 축류 터빈 (2) 은, 가스 타빈이나 증기 터빈 등의 터빈과 같이 다른 회전 기계도 적용할 수 있다.
예를 들어,「어느 방향으로」,「어느 방향을 따라」,「평행」,「직교」,「중심」,「동심」혹은「동축」등의 상대적 혹은 절대적인 배치를 나타내는 표현은, 엄밀하게 그러한 배치를 나타낼 뿐만 아니라, 공차 (公差) 혹은 동일한 기능이 얻어지는 정도의 각도나 거리를 갖고 상대적으로 변위하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들어,「동일」,「동등한」및「균질」등의 사물이 동등한 상태인 것을 나타내는 표현은, 엄밀하게 동등한 상태를 나타낼 뿐만 아니라, 공차 혹은 동일한 기능이 얻어지는 정도의 차이가 존재하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들어, 사각 형상이나 원통 형상 등의 형상을 나타내는 표현은, 기하학 적으로 엄밀한 의미에서의 사각 형상이나 원통 형상 등의 형상을 나타낼 뿐만 아니라, 동일한 효과가 얻어지는 범위에서, 요철부나 모따기부 등을 포함하는 형상도 나타내는 것으로 한다.
한편, 일 구성 요소를「구비하는」,「포함하는」또는「갖는」이라는 표현은 다른 구성 요소의 존재를 제외하는 배타적인 표현은 아니다.
1 : 과급기
2 : 축류 터빈
3 : 압축기
4 : 베어링대
5 : 로터
10, 10' : 회전 블레이드
11, 11' : 칩면
12 : 전측 가장자리
13 : 후측 가장자리
20 : 클리어런스
21 : 터빈 케이싱
22 : 정지 부재
23 : 환상 벽면
23a : 단차
23d : 오목부
26 : 지지 부재
27 : 입구 통로
28 : 축 방향 통로
29 : 출구 통로
31 : 압축기 케이싱
32 : 날개차
33 : 허브
36 : 디퓨저
37 : 공기 입구
38 : 출구 스크롤
O : 로터의 회전축
d1, d2 : 칩 클리어런스
θ1, θ2 : 경사각

Claims (7)

  1. 외주에 복수의 회전 블레이드를 갖는 로터와,
    상기 로터의 외주측에 형성되고, 상기 회전 블레이드의 칩면에 대향하는 환상 벽면을 갖는 정지 부재를 구비하는 축류 터빈으로서,
    상기 축류 터빈의 정지시에 있어서, 상기 회전 블레이드의 후측 가장자리측에 있어서의 상기 칩면과 상기 환상 벽면의 클리어런스가 상기 회전 블레이드의 전측 가장자리측에 비해 큰 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 축류 터빈의 정격 운전시에 있어서의 전측 가장자리측의 상기 클리어런스와 후측 가장자리측의 상기 클리어런스의 차가, 상기 축류 터빈의 정지시보다 작은 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 칩면은, 적어도 상기 축류 터빈의 정지시에 있어서, 상기 칩면에 대향하는 상기 환상 벽면에 대해 제로보다 큰 경사각을 가짐과 함께, 상기 회전 블레이드의 전측 가장자리측에서 후측 가장자리측을 향하여 상기 클리어런스가 서서히 커지는 경사면인 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환상 벽면은, 적어도 상기 축류 터빈의 정지시에 있어서, 상기 환상 벽면에 대향하는 상기 칩면에 대해 제로보다 큰 경사각을 가짐과 함께, 상기 회전 블레이드의 전측 가장자리측에서 후측 가장자리측을 향하여 상기 클리어런스가 서서히 커지는 경사면인 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환상 벽면에는, 상기 로터의 축 방향에 있어서의 상기 회전 블레이드의 전측 가장자리와 후측 가장자리 사이의 위치에 있어서 단차가 형성되어 있고,
    상기 환상 벽면은, 상기 단차보다 전측 가장자리측에 비하여, 상기 단차보다 후측 가장자리측의 쪽이 상기 축류 터빈의 직경 방향 외측에 위치하는 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 환상 벽면에는, 상기 회전 블레이드의 후측 가장자리의 위치를 포함하는 축 방향 범위에 있어서 오목부가 형성되어 있고,
    상기 오목부를 형성하는 전측 가장자리측의 벽면이, 상기 단차를 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 축류 터빈.
  7. 내연 기관으로부터의 배기 가스에 의해 구동되도록 구성된 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 축류 터빈과,
    상기 축류 터빈에 의해 구동되어, 상기 내연 기관에 공급되는 흡기를 압축하도록 구성된 압축기를 구비하는 것을 특징으로 하는 과급기.
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