KR20180025139A

KR20180025139A - 터빈

Info

Publication number: KR20180025139A
Application number: KR1020170062178A
Authority: KR
Inventors: 시게키 세노오; 히사타카 후쿠시마
Original assignee: 미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
Priority date: 2016-08-29
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2018-03-08
Also published as: CN107795344A; EP3290650A1; JP2018035676A; US20180058261A1

Abstract

누설 흐름의 디퓨저 벽면으로부터의 박리에 의한 압력 손실의 증가를 억제한다.
주위 방향으로 배열된 복수의 동익으로 이루어지는 동익 익렬을 축방향으로 복수 단락 설치하여 형성한 터빈 로터(12)와, 터빈 로터(12)를 덮는 정지체(14)와, 정지체(14)의 출구측에 설치한 디퓨저(10)를 구비한 터빈(9)에 있어서, 터빈 로터(12)의 최종단 동익(21d)은, 날개부(26)와, 날개부(26)의 선단에 설치한 커버(27)를 구비하고, 인접하는 것끼리의 커버(27)가 연결되어 환상을 구성하고, 디퓨저(10)는, 정지체(14)의 출구부의 내주면(45)에 대하여 입구부의 외주면(46)이 소직경으로 형성되어 있고, 축방향으로부터 보아 직경 방향에 있어서 입구부의 주위벽부가 커버에 적어도 부분적으로 겹치도록 형성되어 있고, 정지체(14)와 커버(27) 사이의 환상의 간극 공간(42)이, 축방향으로부터 보아 디퓨저(10)의 외주면의 외측의 공간에 면하고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

터빈{TURBINE}

본 발명은 터빈에 관한 것이다.

최근의 터빈의 고출력화, 고효율화의 요구에 대응하기 위해, 저압 터빈의 최종단의 동익(이하, 최종단 동익)은 장익화 경향에 있다(특허문헌 1 등을 참조).

일본 특허 공개 제2003-65002호 공보

최종단 동익을 장익화한 경우, 최종단 동익의 주속이 증가하고, 그 증가한 주속에 맞는 큰 단락 열낙차를 얻기 위해, 최종단 동익의 작동 유체의 흐름 방향의 상류측(이하, 상류측)에 있어서의 작동 유체의 압력을 상승시킬 필요가 있다. 한편, 최종단 동익의 작동 유체의 흐름 방향의 하류측(이하, 하류측)에 있어서의 작동 유체의 압력은, 터빈의 하류측에 배치된 복수기 내의 압력에 의해 거의 결정된다. 그 때문에, 최종단 동익의 상류측에 있는 작동 유체의 압력을 상승시키면, 최종단 동익의 작동 유체의 하류 압력에 대한 상류 압력의 비가 커진다.

그런데, 터빈에서는, 회전체인 터빈 로터의 동익과 터빈 로터를 덮는 정지체 사이에 간극이 있고, 최종단 동익의 상류측에 있는 작동 유체의 일부가 간극을 통과할 수 있다. 이와 같이, 동익의 날개부(프로필부)를 통과하지 않고, 동익 선단과 이것에 대향하는 정지체 사이의 간극을 통과하는 흐름을 본원 명세서에서는 누설 흐름이라 기재한다. 누설 흐름은, 동익 선단과 정지체의 대향면에 시일 핀을 설치하여 억제되는 경우가 있지만, 이 경우라도 시일 핀 선단과 그 대향부 사이에 미소한 간극이 남아, 완전히는 다 억제할 수 없다.

상술한 바와 같이, 최종단 동익의 하류 압력에 대한 상류 압력의 비가 커져, 누설 흐름의 시일 핀 전후의 압력비가 임계 압력비를 초과하면, 누설 흐름도 초음속으로 미소한 간극으로부터 유출된다. 일반적으로, 초음속 흐름은, 아음속 흐름과는 반대로, 흐름의 단면적의 증가에 수반하여 유속이 증가되고 압력이 저하된다. 그 때문에, 초음속의 누설 흐름은, 주류의 아음속 흐름을 감속시키기 위해 흐름의 단면적이 증가하도록 설치된 디퓨저의 부분에서 유속이 증가한다. 또한 그 하류에서, 충격파가 발생하여 아음속 흐름으로 된다. 이때, 시일 핀 통과에 수반하여 저하된 누설 흐름의 압력이, 디퓨저 내의 충격파(불연속의 압력의 변화)에 의해 급격하게 상승한다. 디퓨저 벽면의 근방을 흐르는 유속이 느린 벽면 경계층 흐름이, 이 충격파를 통과할 때, 디퓨저 벽면으로부터 박리되어, 디퓨저로서의 유로 면적 확대 효과가 작아져, 압력 회복 성능이 저하되고, 더욱이 압력 손실이 증가할 가능성이 있다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것이며, 누설 흐름의 디퓨저 벽면으로부터의 박리에 의한 압력 손실의 증가를 억제할 수 있는 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 주위 방향으로 배열된 복수의 동익으로 이루어지는 동익 익렬을 축방향으로 복수 단락 설치하여 형성한 터빈 로터와, 상기 터빈 로터를 덮는 정지체와, 상기 정지체의 출구측에 설치한 디퓨저를 구비한 터빈에 있어서, 상기 터빈 로터의 최종단 동익은, 날개부와, 상기 날개부의 선단에 설치한 커버를 구비하고, 인접하는 것끼리의 상기 커버가 연결되어 환상을 구성하고, 상기 디퓨저는, 상기 정지체의 출구부의 내주면에 대하여 입구부의 외주면이 소직경으로 형성되어 있고, 축방향으로부터 보아 직경 방향에 있어서 상기 입구부의 주위벽부가 상기 커버에 적어도 부분적으로 겹치도록 형성되어 있고, 상기 정지체와 상기 커버 사이의 환상의 간극 공간이, 축방향으로부터 보아 상기 디퓨저의 외주면의 외측의 공간에 면하고 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 누설 흐름의 디퓨저 벽면으로부터의 박리에 의한 압력 손실의 증가를 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 저압 터빈을 구비하는 증기 터빈 발전 설비의 일 구성예의 전체 구성을 도시하는 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 저압 터빈의 주요부의 내부 구조를 도시하는 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 저압 터빈이 구비하는 최종단 동익의 개략 구성을 도시하는 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 저압 터빈이 구비하는 최종단 동익을 로터 디스크에 고정한 상태를 도시하는 사시도.
도 5는 도 4를 직경 방향 외측으로부터 본 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 저압 터빈이 구비하는 내측 정지체의 출구부를 도시하는 부분 확대도.
도 7은 비교예에 관한 저압 터빈이 구비하는 내측 정지체의 출구부를 도시하는 부분 확대도.

(구성)

1. 증기 터빈 발전 설비

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 저압 터빈을 구비하는 증기 터빈 발전 설비의 일 구성예의 전체 구성을 도시하는 개략도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 증기 터빈 발전 설비(100)는 증기 발생원(1), 고압 터빈(3), 중압 터빈(6), 저압 터빈(9), 복수기(11) 및 부하 기기(13)를 구비하고 있다.

증기 발생원(보일러)(1)은, 복수기(11)로부터 공급된 급수를 가열하여, 고온 고압의 증기를 발생시키는 것이다. 보일러(1)에 의해 발생한 증기는, 주 증기관(2)을 통해 고압 터빈(3)으로 유도되어, 고압 터빈(3)을 구동한다. 고압 터빈(3)을 구동하여 감압된 증기는, 고압 터빈 배기관(4)을 유하하여 보일러(1)로 유도되어, 다시 가열되어 재열 증기로 된다.

보일러(1)에 의해 가열된 재열 증기는, 재열 증기관(5)을 통해 중압 터빈(6)으로 유도되어, 중압 터빈(6)을 구동한다. 중압 터빈(6)을 구동하여 감압된 증기는, 중압 터빈 배기관(7)을 통해 저압 터빈(9)으로 유도되어, 저압 터빈(9)을 구동한다. 저압 터빈(9)을 구동하여 감압된 증기는, 디퓨저(10)를 흘러 복수기(11)로 유도된다. 복수기(11)는 냉각수 배관(도시하지 않음)을 구비하고 있고, 복수기(11)로 유도된 증기와 냉각수 배관 내를 흐르는 냉각수를 열교환시켜 증기를 복수한다. 복수기(11)에 의해 생성된 복수는, 급수로서 급수 펌프(56)에 의해 다시 보일러(1)에 보내진다.

고압 터빈(3), 중압 터빈(6) 및 저압 터빈(9)은 터빈 로터(12)에 의해 동축 상에 연결되어 있다. 부하 기기(본 실시 형태에서는, 발전기)(13)는, 터빈 로터(12)에 연결되어 있고, 고압 터빈(3), 중압 터빈(6) 및 저압 터빈(9)의 회전 동력에 의해 발전기(13)가 구동되어, 고압 터빈(3), 중압 터빈(6) 및 저압 터빈(9)의 회전 동력이 전력으로 변환된다.

본 실시 형태에서는, 연결된 고압 터빈(3), 중압 터빈(6) 및 저압 터빈(9)이 발전기(13)를 구동하는 구성을 예시하였지만, 고압 터빈(3), 중압 터빈(6) 및 저압 터빈(9)이 각각 발전기를 구동하여 개별로 전력으로 변환하는 구성으로 해도 되고, 고압 터빈(3), 중압 터빈(6) 및 저압 터빈(9) 중 임의의 2개를 연결한 것에 의해 발전기를 구동하여 전력으로 변환하는 구성으로 해도 된다. 또한, 고압 터빈(3), 중압 터빈(6) 및 저압 터빈(9)을 구비하는 구성을 예시하였지만, 중압 터빈(6)을 생략하고, 고압 터빈(3) 및 저압 터빈(9)을 구비하는 구성으로 해도 된다. 또한, 증기 발생원(1)으로서 보일러를 구비하는 구성을 예시하였지만, 증기 발생원(1)으로서 가스 터빈의 배열을 이용하는 폐열 회수 증기 발생기(HRSG : Heat Recovery Steam Generator)를 구비하는 구성, 즉 증기 터빈 설비를 컴바인드 사이클 발전 설비로 해도 된다. 또한, 증기 발생원(1)으로서 원자로를 구비하는 원자력 발전 설비로 해도 된다.

2. 증기 터빈

도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 저압 터빈(9)의 주요부의 내부 구조를 도시하는 단면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 저압 터빈(9)은 터빈 로터(12), 내측 정지체(14), 디퓨저(10) 및 외측 정지체(8)를 구비하고 있다. 또한, 본 명세서에서는, 터빈 로터(12)의 회전 방향, 회전축 방향을 간단히 「회전 방향」, 「회전축 방향」이라 하고, 터빈 로터(12)의 직경 방향 내측, 직경 방향 외측을 간단히 「직경 방향 내측」, 「직경 방향 외측」이라 한다.

ㆍ내측 정지체

내측 정지체(14)는 터빈 로터(12)를 덮도록 설치되어 있다. 내측 정지체(14)는 케이싱(16), 외측 다이어프램(17a∼17d), 정익(18a∼18d) 및 내측 다이어프램(19a∼19d)을 구비하고 있다.

케이싱(16)은 내측 정지체(14)의 외주벽을 형성하는 통 형상의 부재이다. 본 실시 형태에서는, 케이싱(16)의 하류측의 단부에 지지부(44)(후술함)를 통해 디퓨저(10)의 외주벽부(10B)가 접속되어 있다. 케이싱(16) 내에, 외측 다이어프램(17a∼17d), 정익(18a∼18d), 내측 다이어프램(19a∼19d) 및 터빈 로터(12)가 수용되어 있다.

외측 다이어프램(17a∼17d)은 케이싱(16)의 내주면에 지지되어 있다. 외측 다이어프램(17a∼17d)은 회전 방향으로 연장되는 원통 형상의 부재이다. 본 실시 형태에서는, 외측 다이어프램(17a∼17d)은 반원 형상으로 형성된 부재를 조합하여 구성되어 있다. 외측 다이어프램(17a∼17d)은 내주면이 하류측을 향하여 직경 방향 외측으로 확대되도록 형성되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 외측 다이어프램(17a∼17d)을 각각 케이싱(16)의 내주면에 의해 지지하는 구성을 예시하고 있지만, 외측 다이어프램(17a∼17d)을 일체적으로 형성하고, 케이싱(16)의 내주면에 의해 지지하는 구성으로 해도 된다.

정익(18a∼18d)은 외측 다이어프램(17a∼17d)의 내주면에 회전 방향을 따라서 복수 설치되어 있다. 정익(18a∼18d)은 외측 다이어프램(17a∼17d)의 내주면으로부터 직경 방향 내측을 향하여 연신하여 설치되어 있다.

내측 다이어프램(19a∼19d)은 외측 다이어프램(17a∼17d)의 직경 방향 내측에 설치되어 있다. 내측 다이어프램(19a∼19d)은 회전 방향으로 연장되는 원통 형상의 부재이다. 본 실시 형태에서는, 내측 다이어프램(19a∼19d)은 반원 형상으로 형성된 부재를 조합하여 구성되어 있다. 내측 다이어프램(19a∼19d)의 외주면에는, 정익(18a∼18d)이 접속되어 있다. 즉, 정익(18a∼18d)은 외측 다이어프램(17a∼17d)과 내측 다이어프램(19a∼19d) 사이에 고정되어 있다.

본 실시 형태에서는, 외측 다이어프램(17a), 정익(18a) 및 내측 다이어프램(19a)은 제1 단의 정익 익렬(15a)을, 외측 다이어프램(17b), 정익(18b) 및 내측 다이어프램(19b)은 제2 단의 정익 익렬(15b)을, 외측 다이어프램(17c), 정익(18c) 및 내측 다이어프램(19c)은 제3 단의 정익 익렬(15c)을, 외측 다이어프램(17d), 정익(18d) 및 내측 다이어프램(19d)은 제4 단(최종단)의 정익 익렬(15d)을 구성하고 있다.

내측 다이어프램(19a∼19d) 및 동익(21a∼21d)의 플랫폼(후술함)과 외측 다이어프램(17a∼17d) 및 커버(후술함) 사이에 형성되는 환상의 공간은, 작동 유체(22)가 흐르는 유로(환상 유로)(23)를 구성하고 있다. 환상 유로(23)의 내주벽은 내측 다이어프램(19a∼19d)의 외주면 및 동익(21a∼21d)의 플랫폼의 외주면으로 형성되고, 외주벽은 외측 다이어프램(17a∼17d)의 내주면 및 커버의 직경 방향 내측을 향한 면으로 형성되어 있다.

ㆍ터빈 로터

터빈 로터(12)는 로터 디스크(20a∼20d) 및 동익(21a∼21d)을 구비하고 있다.

로터 디스크(20a∼20d)는 회전축 방향으로 나열되어 배치된 원반 형상의 부재이다. 로터 디스크(20a∼20d)는 스페이서(도시하지 않음)와 교대로 중첩되는 경우도 있다.

동익(21a∼21d)은 각각 로터 디스크(20a∼20d)의 외주면에 회전 방향을 따라서 등간격으로 복수 설치되어 있다. 동익(21a∼21d)은 로터 디스크(20a∼20d)의 외주면으로부터 직경 방향 외측을 향하여 연신하여 설치되어 있다. 동익(21a∼21d)은 환상 유로(23)를 흐르는 작동 유체(22)에 의해, 로터 디스크(20a∼20d)와 함께 회전축 R을 중심으로 회전한다.

본 실시 형태에서는, 로터 디스크(20a) 및 동익(21a)은 제1 단의 동익 익렬(53a)을, 로터 디스크(20b) 및 동익(21b)은 제2 단의 동익 익렬(53b)을, 로터 디스크(20c) 및 동익(21c)은 제3 단의 동익 익렬(53c)을, 로터 디스크(20d) 및 동익(21d)은 제4 단(최종단)의 동익 익렬(53d)을 구성하고 있다.

정익(18a∼18d)과 동익(21a∼21d)은, 내측 정지체(14)의 작동 유체(22)의 입구측(최상류측)으로부터 하류측을 향하여, 정익(18a), 동익(21a), 정익(18b), 동익(21b) …으로 되도록, 회전축 방향으로 교대로 설치되어 있고, 정익(18a∼18d)은 동익(21a∼21d)에 대하여 회전축 방향으로 대향하도록 배치되어 있다.

내측 정지체(14)의 작동 유체(22)의 입구측으로부터, 회전축 방향으로 인접하는 1조의 정익 익렬과 동익 익렬은 날개 단락을 구성하고 있다. 본 실시 형태에서는, 제1 단의 정익 익렬(15a)과 제1 단의 동익 익렬(53a)은 제1 날개 단락(24a)을, 제2 단의 정익 익렬(15b)과 제2 단의 동익 익렬(53b)은 제2 날개 단락(24b)을, 제3 단의 정익 익렬(15c)과 제3 단의 동익 익렬(53c)은 제3 날개 단락(24c)을, 제4 단의 정익 익렬(15d)과 제4 단의 동익 익렬(53d)은 제4 날개 단락(24d)을 구성하고 있다. 제4 날개 단락(24d)은 내측 정지체(14)의 작동 유체(22)의 출구측에 배치된 최종단이며, 디퓨저(10)에 가장 가까운 위치에 배치되어 있다. 제1∼제4 날개 단락에 배치된 동익(21a∼21d)의 날개 길이(직경 방향의 길이)는 하류측에 위치하는 것일수록 길어지도록 형성되어 있고, 제4 날개 단락(24d)에 배치된 동익(최종단 동익)(21d)의 날개 길이는, 동익(21a∼21c)보다도 길게 형성되어 있다[동익(21a∼21d) 중 가장 길게 형성되어 있음]. 구체적으로, 최종단 동익(21d)은 터빈 로터(12)의 회전 중에 날개부(26)(후술함)의 선단부의 회전 주속을 날개부(26)의 선단부를 흐르는 작동 유체(22)의 음속으로 나눈 동익 선단 주속 마하수가 1.0을 초과하는 날개 길이를 갖고 있다.

도 3은 최종단 동익(21d)의 개략 구성을 도시하는 사시도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 최종단 동익(21d)은 플랫폼(25), 날개부(26), 인테그럴 커버(27) 및 타이 보스(28)를 구비하고 있다.

플랫폼(25)은 날개부(26)의 근원부(직경 방향 내측의 부분)(29)의 단부면의 전체를 덮는 크기를 갖고 있고, 본 실시 형태에서는, 직경 방향 외측으로부터 보아 마름모꼴 형상으로 형성되어 있다. 플랫폼(25)의 하면(직경 방향 내측을 향하는 면)에는, 날개부(26)와 반대측으로 돌출되는 끼워넣기부(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 끼워넣기부는, 예를 들어 역크리스마스 트리형으로 형성되어 있다. 이 끼워넣기부를 로터 디스크(20d)(도 2를 참조)의 외주면에 형성된 홈부(도시하지 않음)와 끼워 맞춤으로써, 최종단 동익(21d)이 로터 디스크(20d)에 고정된다. 또한, 본 실시 형태에서는 끼워넣기부를 역크리스마스 트리형으로 형성한 경우를 예시하였지만, 로터 디스크(20d)의 외주면에 형성된 홈부와 끼워맞춰, 터빈 로터(12)의 회전 시에 발생하는 원심력에 저항하여 최종단 동익(21d)을 로터 디스크(20d)에 고정할 수 있으면, 끼워넣기부의 형상은 역크리스마스 트리형에 한정되지 않는다.

날개부(26)는 플랫폼(25)의 외주면에 설치되며, 플랫폼(25)의 외주면으로부터 직경 방향 외측으로 연장되어 있다. 날개부(26)는 비틀어져 형성되어 있다.

인테그럴 커버(커버)(27)는, 날개부(26)의 선단부(직경 방향 외측의 단부)(30)에 설치되어 있다. 커버(27)는 최종단 동익(21d)의 배면측부를 회전 방향으로 연장시키는 배면측 인테그럴 커버(제1 커버)(27A) 및 최종단 동익(21d)의 전면측부를 회전 방향으로 연장시키는 전면측 인테그럴 커버(제2 커버)(27B)를 구비하고 있다. 상술한 바와 같이, 커버(27)는 직경 방향 내측을 향한 면이 환상 유로(23)의 외주벽의 일부를 구성하고, 환상 유로(23)를 획정하고 있다. 또한, 커버(27)는 터빈 로터(12)의 회전 중에 최종단 동익(21d)과 회전 방향의 양측에 인접하는 최종단 동익(인접 날개)끼리의 커버와 접촉하여, 최종단 동익(21d)과 인접 날개를 연결하여 환상을 구성한다. 터빈 로터(12)의 회전 중에 있어서의 커버(27)의 작용에 대해서는 후술한다.

커버(27)는 최종단 동익(21d)을 저압 터빈(9)에 조립한 경우, 터빈 로터(12)의 회전축 R을 포함하는 평면에서 절단한 단면(이하, 자오면 단면이라 함)에서 보아, 외측 다이어프램(17d)[정지체(14)]의 내주면에 대향하고, 회전축 방향으로 연장되는 면을 갖고 있다. 본원 명세서에서는, 커버(27)의 직경 방향 외측을 향하고, 외측 다이어프램(17d)의 내주면에 대향하는 면을, 편의상, 동익 선단면(31)이라 기재한다. 본 실시 형태에서는, 동익 선단면(31)은 최종단 동익(21d)의 선단부(30)의 단부면의 전체를 덮는 크기로 형성되어 있다. 즉, 최종단 동익(21d)을 저압 터빈(9)에 조립한 경우, 자오면 단면에서 보아, 동익 선단면(31)의 회전축 방향의 길이는, 최종단 동익(21d)의 선단부(30)에 있어서의 날개부(26)의 회전축 방향의 길이보다 길게 되어 있다. 동익 선단면(31)과 외측 다이어프램(17d)의 내주면 사이에는, 최종단 동익(21d)의 상류 및 하류측의 공간을 연통하는 간극 공간(42)이 있다(도 2를 참조).

타이 보스(28)는 날개부(26)의 근원부(29)와 선단부(30) 사이에 설치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 타이 보스(28)는 날개부(26)의 직경 방향에 있어서의 중간부에 설치되어 있다. 타이 보스(28)는 최종단 동익(21d)의 배면측에 설치된 배면측 타이 보스(제1 타이 보스)(28A) 및 전면측에 설치된 전면측 타이 보스(제2 타이 보스)(28B)를 구비하고 있다. 타이 보스(28)는 터빈 로터(12)의 회전 중에 인접 날개의 타이 보스와 접촉하여, 최종단 동익(21d)과 인접 날개를 연결한다. 터빈 로터(12)의 회전 중에 있어서의 타이 보스(28)의 작용에 대해서는 후술한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 타이 보스(28)를 날개부(26)의 직경 방향에 있어서의 중간부에 설치한 경우를 예시하였지만, 날개부(26)의 비틀림 강성 등에 따라서 타이 보스(28)를 날개부(26)의 중간부로부터 직경 방향 내측 또는 직경 방향 외측으로 어긋나게 해도 된다.

도 4는 최종단 동익(21d)을 로터 디스크(20d)에 고정한 상태를 도시하는 사시도, 도 5는 도 4를 직경 방향 외측으로부터 본 도면이다. 또한, 도 4에서는 로터 디스크(20d)를 생략하고 있다.

터빈 로터(12)의 회전 속도의 상승에 수반하여, 최종단 동익(21d)의 날개부(26)에는, 근원부(29)로부터 선단부(30)를 향하여 원심력이 작용한다. 상술한 바와 같이, 날개부(26)는 비틀어져 있기 때문에, 원심력에 의해, 날개부(26)에는, 비틀림 풀림(언트위스트)이 발생한다. 이에 의해, 도 4에 도시한 바와 같이, 날개부(26)의 선단부(30)에는 언트위스트 모멘트(33)가, 중간부에는 언트위스트 모멘트(34)가, 근원부(29)에는 언트위스트 모멘트(35)가 각각 화살표가 나타내는 방향으로 작용한다. 마찬가지로, 최종단 동익(21d)에 대하여 회전 방향으로 인접하는 최종단 동익(21d')의 날개부(26')의 선단부(30')에는 언트위스트 모멘트(33')가, 중간부에는 언트위스트 모멘트(34')가, 근원부(29')에는 언트위스트 모멘트(35')가 각각 화살표가 나타내는 방향으로 작용한다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 최종단 동익(21d)을 저압 터빈(9)에 조립한 경우, 직경 방향 외측으로부터 보아, 최종단 동익(21d)의 제1 커버(27A)의 회전 방향의 하류측의 단부면(36)과 최종단 동익(21d')의 제2 커버(27B')의 회전 방향의 상류측의 단부면(36')이 터빈 로터(12)의 회전 중에 언트위스트 모멘트(33, 33')를 구속하도록 되어 있다. 또한, 최종단 동익(21d)의 제2 타이 보스(28B)와 최종단 동익(21d')의 제1 타이 보스(28A')가 언트위스트 모멘트(34, 34')를 구속하도록 되어 있다. 이에 의해, 터빈 로터(12)의 회전 중에 단부면(36)과 단부면(36')이 면접촉하고, 제2 타이 보스(28B)와 제1 타이 보스(28A')가 면접촉하여, 최종단 동익(21d, 21d')이 회전 방향으로 연결된다.

도 6은 내측 정지체(14)[외측 다이어프램(17d)]의 출구부를 도시하는 부분 확대도이다.

본 실시 형태에서는, 최종단 동익(21d)을 저압 터빈(9)에 조립한 경우, 도 6에 도시한 바와 같이, 자오면 단면에서 보아, 외측 다이어프램(17d)의 돌출부(55)의 최종단 동익(21d)에 대향하는 면에 시일 핀(38)이 설치되어 있다[커버(27)의 동익 선단면(31)에는 시일 핀을 설치하고 있지 않음]. 본원 명세서에서는, 외측 다이어프램(17d)의 돌출부(55)의 내주면 중, 회전축 방향으로 연장되며 최종단 동익(21d)에 대향하는 부분을, 편의상, 동익 대향면(40)이라 기재한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 외측 다이어프램(17d)과 돌출부(55)가 일체 성형되어 있는 구성을 예시하였지만, 돌출부(55)를 최종단 동익(21d)의 외측의 내부 케이싱으로서 외측 다이어프램(17d)에 용접 등에 의해 설치하는 구성으로 해도 된다. 시일 핀(38)은, 최종단 동익(21d)을 저압 터빈(9)에 조립한 경우, 자오면 단면에서 보아, 커버(27)와 동익 대향면(40) 사이의 간극 공간(42)을 흐르는 누설 흐름(43)을 억제하도록, 동익 대향면(40)으로부터 최종단 동익(21d)을 향하여 연장되어 있다. 바꿔 말하면, 최종단 동익(21d)은 그 선단[커버(27)]이 시일 핀(38)에 대향하도록 배치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 시일 핀(38)은 동익 대향면(40)에 회전축 방향으로 1개 설치되어 있다. 시일 핀(38)의 선단부(직경 방향 내측의 단부)와 동익 선단면(31) 사이에는, 정지체(14)와 터빈 로터(12)의 접촉을 회피하기 위해 미소한 간극이 있다.

ㆍ디퓨저

도 2에 도시한 바와 같이, 디퓨저(10)는 내측 정지체(14)의 출구측(하류측)에 설치되어 있다. 디퓨저(10)는 터빈 로터(12)를 회전 구동한 작동 유체(배기)를, 압력 회복시키면서 복수기(11)(도 1을 참조)로 유도하는 기능을 갖고 있다. 즉 최종단 동익(21d)을 나온 아음속 흐름을, 디퓨저(10)의 확대 유로에 의해 압력 회복시킴으로써, 최종단 출구의 정압을 저하시켜, 증기로부터 보다 많은 에너지를 취출하는 것을 가능하게 하는 기능을 갖고 있다. 디퓨저(10)는 내주벽부(10A) 및 외주벽부(10B)를 구비하고 있다. 내주벽부(10A)는, 디퓨저(10)의 내주면을 구성하는 원뿔면 형상의 부재이다. 외주벽부(10B)는, 내주벽부(10A)의 외주측을 덮도록 형성된 원뿔면 형상의 부재이며, 디퓨저(10)의 외주면을 구성하고 있다. 내주벽부(10A)와 외주벽부(10B) 사이에 형성되는 환상의 공간은, 터빈 로터(12)를 회전 구동한 작동 유체(22)가 흐르는 유로(디퓨저 유로)(10C)를 구성하고 있다.

본 실시 형태에서는, 디퓨저(10)의 내주벽부(10A)의 하류측의 단부는, 외측 정지체(8)의 벽면에 접속되어 있다. 디퓨저(10)의 외주벽부(10B)는, 케이싱(16)의 하류측의 단부에 지지부(44)를 통해 접속되어 지지되어 있다. 본 실시 형태에서는, 지지부(44)는 케이싱(16)의 하류측의 단부로부터 디퓨저(10)의 외주벽부(10B)를 향하여 연장되는 막대 형상 부재이다. 본 실시 형태에서는, 지지부(44)는 회전 방향을 따라서 복수 설치되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 케이싱(16)의 하류측의 단부에 지지부(44)를 통해 디퓨저(10)의 외주벽부(10B)가 접속되어 있는 구성을 예시하였지만, 외측 다이어프램(17d)의 하류측의 단부에 디퓨저(10)의 외주벽부(10B)를 접속하는 구성으로 해도 된다.

도 6에 도시한 바와 같이, 디퓨저(10)는 내측 정지체(14)[외측 다이어프램(17d)]의 출구부(하류측 단부)의 내주면(45)에 대하여, 외주벽부(10B)의 입구부(상류측 단부)의 외주면(46)이 소직경으로 되도록 형성되어 있다. 즉, 디퓨저(10)는 터빈 로터(12)의 회전축 R(도 2를 참조)로부터 외주벽부(10B)의 입구부의 외주면(46)까지의 거리가, 회전축 R로부터 외측 다이어프램(17d)의 출구부의 내주면(45)까지의 거리보다 짧아지도록 형성되어 있다.

본 실시 형태에서는, 디퓨저(10)는 회전축 방향으로부터 보아 직경 방향에 있어서 외주벽부(10B)의 입구부의 주위벽부(49)가 커버(27)에 적어도 부분적으로 겹치도록 형성되어 있다. 즉, 디퓨저(10)는 회전축 방향으로부터 보아 외주벽부(10B)의 입구부의 주위벽부(49)의 적어도 일부가 커버(27)에 가려지도록 형성되어 있다. 또한, 주위벽부(49)는, 최종단 동익(21d)을 저압 터빈(9)에 조립한 경우, 자오면 단면에서 보아, 디퓨저(10)의 외주벽부(10B)에 있어서의 최종단 동익(21d)의 커버(27)에 회전축 방향으로 대향하는 벽면을 말한다.

또한, 본 실시 형태에서는, 디퓨저(10)는 회전축 방향으로부터 보아 직경 방향에 있어서 외주벽부(10B)의 입구부의 주위벽부(49)가 커버(27)의 직경 방향의 두께의 범위 내에 위치하도록 형성되어 있다. 구체적으로, 디퓨저(10)는 회전축 방향으로부터 보아 외주벽부(10B)의 입구부의 외주면(46)이 커버(27)의 상면(직경 방향 외측을 향하는 면)과 동일한 높이 또는 상면에 대하여 직경 방향 내측에 위치하고, 외주벽부(10B)의 입구부의 내주면(47)이 커버(27)의 하면(직경 방향 내측을 향하는 면)과 동일한 높이 또는 하면에 대하여 직경 방향 외측에 위치하도록 형성되어 있다. 도 6에 예시한 구성에서는, 디퓨저(10)는 축방향으로부터 보아 외주벽부(10B)의 외주면(46)이 커버(27)의 상면과 동일한 높이에, 외주벽부(10B)의 내주면(47)이 커버(27)의 하면에 대하여 직경 방향 외측에 위치하도록 형성되어 있다.

내측 정지체(14)[외측 다이어프램(17d)]의 출구부의 내주면(45)과 디퓨저(10)의 외주벽부(10B)의 외주면(46) 사이에는 회전 방향으로 연장되는 환상의 간극(48)이 형성되어 있다. 간극(48)은 간극 공간(42)과 디퓨저(10)의 외주벽부(10B)의 외주면(46)의 외측 공간(이하, 디퓨저 외측 공간)(32)을 연통하고 있고, 간극 공간(42)은 회전축 방향으로부터 보아 디퓨저 외측 공간(32)에 면하고 있다.

ㆍ외측 정지체

도 2에 도시한 바와 같이, 외측 정지체(8)는 내측 정지체(14), 터빈 로터(12) 및 디퓨저(10)를 덮도록 설치되어 있고, 저압 터빈(9)의 외벽을 형성하고 있다.

(동작)

ㆍ주류(동익의 날개부를 통과하는 흐름)에 대하여

작동 유체(22)의 주류는, 제1 단의 정익 익렬(15a)의 정익(18a) 간에 유입되고, 정익(18a)의 형상을 따라서 흐름을 전향하면서 가속되어, 정익(18a) 간으로부터 유출된다. 정익(18a) 간으로부터 유출된 주류는, 제1 단의 정익 익렬(15a)의 하류측에 배치된 제1 단의 동익 익렬(53a)의 동익(21a)에 유입되어 터빈 로터(12)를 회전 구동한다. 동익(21a) 간으로부터 유출된 주류는, 제1 단의 동익 익렬(53a)의 하류측에 배치된 제2 단의 정익 익렬(15b)의 정익(18b) 간에 유입된다. 이후, 주류는, 정익에 의한 전향 및 가속 성분의 부여와 동익의 회전 구동을 반복하면서, 내측 정지체(14)의 출구부로부터 디퓨저 유로(10C)에 유입된다.

ㆍ누설 흐름에 대하여

도 6에 도시한 바와 같이, 작동 유체(22)의 일부는, 시일 핀(38)의 선단부와 커버(27) 사이에 있는 미소한 간극을 통과하여, 누설 흐름(43)으로서 간극 공간(42)에 유입된다.

최종단 동익(21d)의 상류측에 있어서의 작동 유체(22)의 압력을 상승시키면, 최종단 동익(21d)의 회전 속도가 상승하여, 날개부(26)의 선단부의 회전 주속이 상승한다. 작동 유체가 동익에 대하여 회전 구동력을 부여하기 위해서는, 동익 입구의 정체점 압력은 주속이 커질수록 크게 할 필요가 있다. 그 때문에, 시일 핀(38) 전후의 압력비가 커져, 날개부(26)의 선단부 회전 주속을 날개부(26)에 유입되는 작동 유체(22)의 음속으로 나눈 동익 선단 주속 마하수가 1.0을 초과하여 커지면, 시일 핀(38) 전후의 압력비는, 시일 핀(38)을 통과한 하류에서 초음속으로 되는 임계 압력비를 초과할 가능성이 커진다.

간극 공간(42)의 시일 핀(38)의 하류측을 흐르는 초음속의 누설 흐름(43)은 내측 정지체(14)[외측 다이어프램(17d)]의 출구부로부터 유출되어, 간극(48)을 통과하여 디퓨저 외측 공간(32)[바꿔 말하면, 외측 정지체(8)의 내측 공간]으로 유도된다. 그 후, 누설 흐름(43)은 디퓨저 외측 공간(32)에서 서서히 감속되어 아음속 흐름으로까지 감속된다.

(효과)

(1) 도 7은 비교예에 관한 외측 다이어프램의 출구부를 도시하는 부분 확대도이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 비교예에서는, 디퓨저 E의 외주벽부 I는 외측 다이어프램 C의 출구부의 단부면에 접속하여 설치되어 있다. 바꿔 말하면, 디퓨저 E의 외주벽부 I의 외주면이 외측 다이어프램 C의 내주면에 대하여 소직경으로 되도록 형성되어 있지 않다. 그 때문에, 시일 핀 G의 선단부와 커버 B 사이에 있는 미소한 간극 F를 통과하여, 커버 B와 외측 다이어프램 C 사이에 있는 간극을 흐르는 초음속의 누설 흐름 D는, 유속을 증가시켜 디퓨저 E에 유입되고, 그 후, 충격파에 의해 전체 압력 손실을 수반하여 아음속 흐름으로 된다. 이때, 시일 핀 통과에 수반하여 저하된 누설 흐름 D의 압력이, 디퓨저 E 내의 충격파 H를 통과하여 아음속으로 됨으로써 급격하게 상승한다. 디퓨저 벽면의 근방을 흐르는 유속이 느린 벽면 경계층 흐름이, 이 충격파를 통과할 때, 디퓨저 E의 벽면으로부터 박리되어, 디퓨저로서의 유로 면적 확대 효과가 작아져, 압력 회복 성능이 저하되고, 더욱이 압력 손실이 증가할 가능성이 있다.

이에 반해, 본 실시 형태에서는, 도 6에 도시한 바와 같이, 디퓨저(10)를 외측 다이어프램(17d)의 내주면(45)에 대하여 외주벽부(10B)의 외주면(46)이 소직경으로 되도록 형성하고, 외측 다이어프램(17d)의 내주면(45)과 외주벽부(10B)의 외주면(46) 사이에 간극(48)을 형성하고, 간극 공간(42)이 축방향으로부터 보아 디퓨저 외측 공간(32)에 면하도록 되어 있다. 그 때문에, 간극 공간(42)의 시일 핀(38)의 하류측을 흐르는 초음속의 누설 흐름(43)을, 외측 다이어프램(17d)의 출구부로부터 간극(48)을 통해 디퓨저 외측 공간(32)으로 유도할 수 있다. 이에 의해, 초음속의 누설 흐름(43)이 디퓨저(10)에 유입되어 디퓨저(10) 내에 충격파가 발생하는 것을 회피할 수 있다. 따라서, 디퓨저(10)의 외주벽부(10B)의 근방을 흐르는 유속이 느린 벽면 경계층 흐름이 디퓨저(10)의 외주벽부(10B)로부터 박리되는 것을 회피할 수 있어, 압력 손실의 증가를 억제할 수 있다.

(2) 도 7에 도시한 바와 같이, 비교예에 관한 최종단 동익 A에서는, 디퓨저 E를 흐르는 초음속의 누설 흐름 D의 일부가, 최종단 동익 A의 날개부 K를 통과하여 디퓨저 E에 유입된 주류 L에 간섭하여, 속도가 상이한 유체 혼합에 의한 간섭 손실이 발생할 수 있다. 이에 반해, 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 초음속의 누설 흐름(43)의 흐름을 간극(48)을 통해 디퓨저 외측 공간(32)으로 유도할 수 있기 때문에, 초음속의 누설 흐름(43)이 최종단 동익(21d)의 날개부(26)를 통과하여 디퓨저(10)에 유입된 주류에 간섭하는 것을 회피할 수 있다.

(3) 본 실시 형태에서는, 디퓨저(10)를 축방향으로부터 보아 직경 방향에 있어서 외주벽부(10B)의 입구부의 주위벽부(49)가 커버(27)의 직경 방향의 두께의 범위 내에 위치하도록 형성하고 있다. 이에 의해, 축방향으로부터 보아 디퓨저(10)의 외주벽부(10B)의 입구부의 주위벽부(49)가 커버(27)의 상면보다 직경 방향 외측으로 돌출되는 일이 없다. 따라서, 간극 공간(42)의 시일 핀(38)의 하류측을 흐르는 초음속의 누설 흐름(43)이 간극(48)을 통과할 때에 디퓨저(10)의 외주벽부(10B)의 입구부의 주위벽부(49)와 간섭하는(충돌하는) 것을 회피할 수 있어, 초음속의 누설 흐름(43)을 디퓨저 외측 공간(32)으로 원활하게 유도할 수 있다.

<기타>

본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어, 상술한 실시 형태는 본 발명을 알기 쉽게 설명하기 위해 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 실시 형태의 구성의 일부를 삭제하는 것도 가능하다.

상술한 실시 형태에서는, 커버(27)에 외측 다이어프램(17d)이 대향하는 구성을 예시하였다. 그러나, 본 발명의 본질적 효과는, 누설 흐름의 디퓨저 벽면으로부터의 박리에 의한 압력 손실의 증가를 억제할 수 있는 동익을 제공하는 것이며, 이 본질적 효과를 얻는 한에 있어서는, 반드시 상술한 구성에 한정되지는 않는다. 커버(27)에 대향하는 부재는 내측 정지체(14)이며, 예를 들어 커버(27)에 케이싱(16)이 대향하는 구성으로 해도 된다.

9 : 저압 터빈(터빈)
10 : 디퓨저
12 : 터빈 로터
14 : 내측 정지체(정지체)
21d : 최종단 동익
26 : 날개부
27 : 커버
42 : 간극 공간
45 : 내주면
46 : 외주면
53a∼53d : 동익 익렬

Claims

주위 방향으로 배열된 복수의 동익으로 이루어지는 동익 익렬을 축방향으로 복수 단락 설치하여 형성한 터빈 로터와, 상기 터빈 로터를 덮는 정지체와, 상기 정지체의 출구측에 설치한 디퓨저를 구비한 터빈에 있어서,
상기 터빈 로터의 최종단 동익은, 날개부와, 상기 날개부의 선단에 설치한 커버를 구비하고, 인접하는 것끼리의 상기 커버가 연결되어 환상을 구성하고,
상기 디퓨저는, 상기 정지체의 출구부의 내주면에 대하여 입구부의 외주면이 소직경으로 형성되어 있고, 축방향으로부터 보아 직경 방향에 있어서 상기 입구부의 주위벽부가 상기 커버에 적어도 부분적으로 겹치도록 형성되어 있고,
상기 정지체와 상기 커버 사이의 환상의 간극 공간이, 축방향으로부터 보아 상기 디퓨저의 외주면의 외측의 공간에 면하고 있는 것을 특징으로 하는, 터빈.
제1항에 있어서,
상기 디퓨저는, 축방향으로부터 보아 직경 방향에 있어서 상기 입구부의 주위벽부가 상기 커버의 직경 방향의 두께의 범위 내에 위치하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 터빈.
주위 방향으로 배열된 복수의 동익으로 이루어지는 동익 익렬을 축방향으로 복수 단락 갖는 터빈 로터를 덮는 정지체의 출구측에 설치된 디퓨저에 있어서,
상기 디퓨저는, 상기 정지체의 출구부의 내주면에 대하여 입구부의 외주면이 소직경으로 형성되어 있고,
상기 디퓨저는, 터빈 로터축 방향으로부터 보아, 직경 방향에 있어서 상기 입구부의 주위벽부가 상기 터빈 로터의 최종단 동익의 날개부 선단에 설치된 커버에 적어도 부분적으로 겹치고, 상기 정지체와 상기 커버 사이의 환상의 간극 공간이, 터빈 로터축 방향으로부터 보아 상기 디퓨저의 외주면의 외측의 공간에 면하도록, 상기 정지체에 설치되는 것을 특징으로 하는, 디퓨저.
제3항에 있어서,
상기 디퓨저는, 축방향으로부터 보아 직경 방향에 있어서 상기 입구부의 주위벽부가 상기 커버의 직경 방향의 두께의 범위 내에 위치하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 디퓨저.
주위 방향으로 배열된 복수의 동익으로 이루어지는 동익 익렬을 축방향으로 복수 단락 설치하여 형성한 터빈 로터와, 상기 터빈 로터를 덮는 정지체를 구비한 터빈이며,
상기 정지체의 출구측에 제3항 또는 제4항에 기재된 디퓨저를 설치한 것을 특징으로 하는, 터빈.