KR20180100670A

KR20180100670A - 회전 기계

Info

Publication number: KR20180100670A
Application number: KR1020187023118A
Authority: KR
Inventors: 요시히로 구와무라; 에이지 고니시; 도요하루 니시카와; 신 니시모토; 히데카즈 우에하라
Original assignee: 미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
Priority date: 2016-02-19
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2018-09-11
Also published as: WO2017142077A1; JP2017145813A; KR102105262B1; US20190048734A1; CN108603412A; DE112017000900T5; US11187097B2; CN108603412B

Abstract

본 발명에 따른 회전 기계는, 정지측 둘레면(13)을 갖는 정지체와, 정지측 둘레면(13)과 대향하는 회전측 둘레면(54)을 갖는 회전체를 구비하고, 정지측 둘레면(13)과 회전측 둘레면(54) 중 일방이 상류측 둘레면(54A)과 하류측 둘레면(54B)과 후향 스텝면(53)을 갖고, 상류측 둘레면(54A)과의 사이에 미소 간극(H1)을 형성하는 상류측 시일 핀(5A)과, 하류측 둘레면(54B)과의 사이에 미소 간극(H2)을 형성하는 하류측 시일 핀(5B)을 추가로 구비하고, 후향 스텝면(53)이, 타방을 향함에 따라서 하류측(Da2)을 향해 연장되며 상류측 둘레면(54A)에 접속된 안내면(55)을 갖는다.

Description

회전 기계

본 발명은 정지체와 회전체를 구비하는 회전 기계에 관한 것이다.

본원은 2016년 2월 19일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제 2016-030236 호에 근거하여 우선권을 주장하며, 그 내용은 여기에 원용한다.

주지하는 바와 같이, 회전 기계인 증기 터빈의 일종으로서, 케이싱과, 케이싱의 내부에 회전 가능하게 마련된 축체(로터)와, 케이싱의 내주부에 고정 배치된 복수의 정익과, 이들 복수의 정익의 하류측에서 축체에 방사상으로 마련된 복수의 동익을 구비한 것이 있다.

이와 같은 증기 터빈 중 충동 터빈인 경우는, 증기(유체)의 압력 에너지를 정익에 의해 속도 에너지로 변환하고, 이 속도 에너지를 동익에 의해 회전 에너지(기계 에너지)로 변환하고 있다. 또한, 반동 터빈의 경우는, 동익 내에서도 압력 에너지가 속도 에너지로 변환되고, 증기가 분출하는 반동력에 의해 회전 에너지(기계 에너지)로 변환된다.

이런 종류의 증기 터빈에서는, 동익의 선단부와, 동익을 위요하여 증기의 유로를 형성하는 케이싱과의 사이에 직경방향의 간격이 형성되며, 또한, 정익의 선단부와 축체 사이에도 직경방향의 간격이 형성되어 있는 것이 통상이다. 그러나, 동익 선단부와 케이싱와의 간격을 하류측으로 통과하는 누설 증기는 동익에 대해 회전력을 부여하지 않는다. 또한, 정익 선단부와 축체와의 간격을 하류측으로 통과하는 누설 증기는, 그 압력 에너지가 정익에 의해 속도 에너지로 변환되지 않기 때문에, 하류측의 동익에 대해 회전력을 거의 부여하지 않는다. 따라서, 증기 터빈의 성능 향상을 위해서는, 간격을 통과하는 누설 증기의 유량(누설 유량)을 저감하는 것이 중요해진다.

종래에는, 예컨대 특허문헌 1과 같이, 동익의 선단부에, 축선방향 상류측으로부터 하류측을 향해 높이가 점차 높아지는 복수의 스텝부를 마련하고, 케이싱에, 각 스텝부를 향해 연장되는 복수의 시일 핀을 마련하고, 각 스텝부와 각 시일 핀의 선단과의 사이에 미소 간극을 형성한 구조의 터빈이 제안되어 있다.

이 터빈에서는, 상류측으로부터 간격에 인입된 유체가 스텝부의 단차면에 충돌함으로써, 단차면의 상류측에 주 소용돌이가 발생하고, 단차면의 하류측(미소 간극의 상류측 근방)에 박리 소용돌이가 발생한다. 그리고, 미소 간극의 상류측 근방에 생기는 박리 소용돌이에 의해, 미소 간극을 빠져나가는 누출 흐름의 저감화가 도모되어 있다. 즉, 동익의 선단부와 케이싱과의 간격을 통과하는 누설 유체의 유량의 저감화가 도모되어 있다.

일본 특허 공개 제 2011-080452 호 공보

그렇지만, 증기 터빈의 성능 향상에 대한 요망은 강하며, 따라서 누설 유량을 더욱 저감화하는 것이 요구되고 있다.

본 발명은 누설 유체의 유량을 보다 저감할 수 있는 회전 기계를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명의 제 1 태양에 의하면, 회전 기계는, 축선의 둘레방향으로 연장되는 정지측 둘레면을 갖는 정지체와, 상기 축선 주위로 회전하며 상기 정지측 둘레면과 대향하는 회전측 둘레면을 갖는 회전체를 구비하고, 상기 정지측 둘레면과 상기 회전측 둘레면 중 일방이, 상기 축선방향으로 연장되는 상류측 둘레면과, 상기 상류측 둘레면에 있어서의 유체의 하류측에 위치하며 상기 축선방향으로 연장되는 동시에, 상기 상류측 둘레면보다 상기 정지측 둘레면과 상기 회전측 둘레면 중 타방으로부터 후퇴하는 하류측 둘레면과, 상기 상류측 둘레면과 상기 하류측 둘레면을 접속하며 상기 하류측을 향하는 후향 스텝면을 갖고, 상기 타방으로부터 상기 상류측 둘레면을 향해 연장되며, 상기 상류측 둘레면과의 사이에 미소 간극을 형성하는 상류측 시일 핀과, 상기 타방으로부터 상기 하류측 둘레면을 향해 연장되며, 상기 하류측 둘레면과의 사이에 미소 간극을 형성하는 하류측 시일 핀을 추가로 구비하고, 상기 후향 스텝면이, 상기 타방을 향함에 따라서 상기 하류측을 향해 연장되며 상기 상류측 둘레면에 접속된 안내면을 갖는다.

이러한 구성에 의하면, 하류측 시일 핀의 상류측에 후향 스텝면을 배치하는 것에 의해, 하류측 시일 핀의 상류측에 박리 소용돌이를 형성할 수 있다. 이 박리 소용돌이는, 하류측 시일 핀의 상류측에서, 속도 벡터를 일방측으로 향하게 하는 흐름을 일으키므로, 미소 간극을 빠져나가는 누출 흐름을 저감하는 축류 효과를 발휘할 수 있다.

또한, 후향 스텝면이 안내면을 갖는 것에 의해, 하류측 시일 핀과 후향 스텝면 사이에 형성되는 박리 소용돌이를 강화할 수 있다. 이에 의해, 박리 소용돌이에 의한 미소 간극을 통과하는 유체의 축류 효과를 더욱 강화하여, 누설 유체의 유량을 보다 저감할 수 있다.

본 발명의 제 2 태양에 의하면, 상기 제 1 태양에 따른 회전 기계에 있어서, 상기 상류측 시일 핀 및 상기 하류측 시일 핀은 상기 일방측을 향함에 따라서 상기 상류측을 향하도록 경사져도 좋다.

이러한 구성에 의하면, 상류측 시일 핀과 상류측 둘레면 사이로부터 하류측에 유입된 유체가 하류측 시일 핀에 충돌할 때에 상류측 시일 핀과 하류측 시일 핀 사이의 캐비티에 형성되는 주 소용돌이를 보다 스무스하게(smoothly) 형성할 수 있다. 이에 의해, 주 소용돌이를 강화할 수 있으며, 나아가서는, 박리 소용돌이를 강화할 수 있다.

본 발명의 제 3 태양에 의하면, 상기 제 1 또는 제 2 태양에 따른 회전 기계에 있어서, 상기 후향 스텝면과 상기 하류측 둘레면을 매끄럽게 접속해도 좋다.

이러한 구성에 의하면, 하류측 시일 핀과 후향 스텝면 사이에 형성되는 박리 소용돌이를 강화할 수 있다.

본 발명의 제 4 태양에 의하면, 상기 제 1 내지 제 3 태양 중 어느 한 태양에 따른 회전 기계에 있어서, 상기 상류측 시일 핀 및 상기 하류측 시일 핀과 상기 타방을 매끄럽게 접속하는 핀 호상부(弧狀部)를 가져도 좋다.

이러한 구성에 의하면, 상류측 시일 핀과 하류측 시일 핀 사이의 캐비티에 형성되는 주 소용돌이를 강화할 수 있으며, 나아가서는, 박리 소용돌이를 강화할 수 있다.

본 발명의 제 5 태양에 의하면, 회전 기계는, 축선의 둘레방향으로 연장되는 정지측 둘레면을 갖는 정지체와, 상기 축선 주위로 회전하며 상기 정지측 둘레면과 대향하는 회전측 둘레면을 갖는 회전체를 구비하고, 상기 정지측 둘레면과 상기 회전측 둘레면 중 일방이, 상기 축선방향으로 연장되는 상류측 둘레면과, 상기 상류측 둘레면에 있어서의 작동 유체의 하류측에 위치하며 상기 축선방향으로 연장되는 동시에, 상기 상류측 둘레면보다 상기 정지측 둘레면과 상기 회전측 둘레면 중 타방으로 돌출하는 중앙 둘레면과, 상기 중앙 둘레면의 하류측에 위치하며 상기 축선방향으로 연장되는 동시에, 상기 중앙 둘레면보다 상기 타방으로부터 후퇴하는 하류측 둘레면과, 상기 상류측 둘레면과 상기 중앙 둘레면을 접속하며 상기 상류측을 향하는 전향 스텝면을 갖고, 상기 타방으로부터 상기 상류측 둘레면을 향해 연장되며, 상기 상류측 둘레면과의 사이에 미소 간극을 형성하는 상류측 시일 핀과, 상기 타방으로부터 상기 중앙 둘레면을 향해 연장되며, 상기 중앙 둘레면과의 사이에 미소 간극을 형성하는 중앙 시일 핀과, 상기 타방으로부터 상기 하류측 둘레면을 향해 연장되며, 상기 하류측 둘레면과의 사이에 미소 간극을 형성하는 하류측 시일 핀을 추가로 구비하고, 상기 전향 스텝면이, 상기 타방을 향함에 따라서 상기 하류측을 향해 경사지며 상기 중앙 둘레면에 접속된 안내면을 갖고, 상기 상류측 시일 핀과 상기 중앙 시일 핀과 상기 하류측 시일 핀은 상기 일방측을 향함에 따라서 상류측을 향하도록 경사져 있다.

이러한 구성에 의하면, 각각의 시일 핀의 상류측에 박리 소용돌이를 형성할 수 있다. 이 박리 소용돌이는, 각각의 시일 핀의 상류측에서, 속도 벡터를 일방측으로 향하게 하는 흐름을 일으키므로, 미소 간극을 빠져나가는 누출 흐름을 저감하는 축류 효과를 발휘할 수 있다.

또한, 안내면 및 시일 핀이 경사지게 형성되어 있는 것에 의해, 주 소용돌이가 시일 핀을 따르도록 형성된다. 이에 의해, 주 소용돌이를 강화할 수 있으며, 나아가서는, 박리 소용돌이를 강화할 수 있다.

본 발명에 의하면, 하류측 시일 핀의 상류측에 후향 스텝면을 배치하는 것에 의해, 하류측 시일 핀의 상류측에 박리 소용돌이를 형성할 수 있다. 이 박리 소용돌이는, 하류측 시일 핀의 상류측에서, 속도 벡터를 일방측으로 향하게 하는 흐름을 일으키므로, 미소 간극을 빠져나가는 누출 흐름을 저감하는 축류 효과를 발휘할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 증기 터빈의 개략 구성 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시형태를 도시하는 도면으로서, 도 1에 있어서의 주요부(I)를 도시하는 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시형태를 도시하는 도면으로서, 도 2의 시일 구조를 도시하는 확대 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시형태의 증기 터빈의 작용 설명도이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시형태의 시일 구조의 변형예를 도시하는 확대 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시형태의 시일 구조를 도시하는 확대 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시형태의 시일 구조를 도시하는 확대 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시형태의 증기 터빈의 작용 설명도이다.

[제 1 실시형태]

이하, 본 발명의 제 1 실시형태의 회전 기계인 증기 터빈에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태의 증기 터빈(1)은, 정지체인 케이싱(10)과, 케이싱(10)의 내측에 축선 주위로 회전 가능하게 마련되며, 동력을 도시하지 않는 발전기 등의 기계에 전달하는 회전체인 회전축(30)과, 케이싱(10)에 보지된 정익(40)과, 회전축(30)에 마련된 동익(50)과, 회전축(30)을 축 주위로 회전 가능하게 지지하는 베어링부(60)를 구비하여 대략 구성되어 있다.

또한, 이하의 설명에 있어서, 회전축(30)의 축선(A)이 연장되어 있는 방향을 축선방향(Da)으로 한다. 또한, 축선(A)에 직교하는 방향을 직경방향(Dr)으로 하고, 이 직경방향(Dr)에서 축선(A)으로부터 멀어지는 측을 직경방향 외측으로 하고, 이 직경방향(Dr)에서 축선(A)에 가까워지는 측을 직경방향 내측으로 한다. 또한, 축선방향(Da)에 있어서, 도 1의 좌측을 상류측(Da1), 도 1의 우측을 하류측(Da2)으로 한다.

유체인 증기(S)는, 도시하지 않는 증기 공급원과 접속된 증기 공급관(20)을 거쳐서, 케이싱(10)에 형성된 주류(主流) 입구(21)로부터 도입되며, 증기 터빈(1)의 하류측에 접속된 증기 배출관(22)으로부터 배출된다.

케이싱(10)은 내부 공간이 기밀하게 밀봉되어 있는 동시에 증기(S)의 유로로 되어 있다. 케이싱(10)의 내벽면에는, 회전축(30)이 관통 삽입되는 링 형상의 칸막이판 외륜(11)이 강고하게 고정되어 있다.

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

정익(40)은 케이싱(10)으로부터 내주측을 향해 연장되고, 회전축(30)을 위요하도록 방사상으로 다수 배치되는 환상 정익군을 구성하고 있으며, 각각 상술한 칸막이판 외륜(11)에 보지되어 있다.

복수의 정익(40)으로 이루어지는 환상 정익군은 축선방향(Da)으로 간격을 두고 복수 형성되어 있으며, 증기(S)의 압력 에너지를 속도 에너지로 변환하고, 하류측에 인접한 동익(50)에 유입시킨다.

동익(50)은 회전축(30)의 회전축 본체(31)의 외주부에 강고하게 장착되며, 각각의 환상 정익군의 하류측에서, 방사상으로 다수 배치되어 환상 동익군을 구성하고 있다.

환상 정익군과 환상 동익군은 1조 1단으로 되어 있다. 최종단에 있어서의 동익(50)의 선단부는 회전축(30)의 둘레방향(이하, 간략히 둘레방향이라 함)으로 인접한 동익(50)의 선단부끼리와 연결되어 있으며 슈라우드(51)라 불리고 있다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 동익(50)의 선단부를 이루는 슈라우드(51)는, 케이싱(10)의 칸막이판 외륜(11)과의 사이에 직경방향(Dr)의 간격을 거쳐서 대향 배치되어 있다. 그리고, 슈라우드(51)와 케이싱(10)의 칸막이판 외륜(11)과의 사이에는 시일 구조(2A)가 마련되어 있다. 시일 구조(2A)는, 정지체인 칸막이판 외륜(11)과 회전체인 슈라우드(51)와의 사이를 시일하기 위한 구조이다. 이하, 시일 구조(2A)의 구성요소에 대해 상세하게 설명한다.

슈라우드(51)는 칸막이판 외륜(11)과 대향하는 외주면(54)(회전측 둘레면)을 갖고 있다. 슈라우드(51)의 직경방향 외측을 향하는 외주면(54)에는, 하류측을 향함에 따라서 직경이 작아지도록 복수의 단차가 마련되어 있다.

본 실시형태의 슈라우드(51)는, 2개의 단차가 마련되어 있는 것에 의해, 축선방향(Da)으로 나열되는 3개의 스텝부(52)를 갖고 있다. 스텝부(52)는 가장 상류측에 배치되어 있는 제 1 스텝부(52A)와, 가장 하류측에 배치되어 있는 제 3 스텝부(52C)와, 제 1 스텝부(52A)와 제 3 스텝부(52C) 사이에 배치되어 있는 제 2 스텝부(52B)를 갖고 있다.

3개의 스텝부(52)의 외경은 축선방향(Da)의 상류측으로부터 하류측을 향함에 따라서 점차 작아지도록 설정되어 있다.

서로 인접한 스텝부(52)는 단차인 후향 스텝면(53)으로 접속되어 있다. 후향 스텝면(53)은 축선방향(Da)의 하류측을 향해 있다. 제 1 스텝부(52A)와 제 2 스텝부(52B) 사이에는 제 1 후향 스텝면(53A)이 형성되며, 제 2 스텝부(52B)와 제 3 스텝부(52C) 사이에는 제 2 후향 스텝면(53B)이 형성되어 있다. 제 1 후향 스텝면(53A)과 제 2 후향 스텝면(53B)은 둘레방향에서 본 단면 형상이 대략 동일하다.

칸막이판 외륜(11)에는, 슈라우드(51)에 대응하는 부위에 둘레방향으로 연장되는 환상 홈(12)이 형성되어 있다. 환상 홈(12)은 칸막이판 외륜(11)의 내주면으로부터 직경방향 외측으로 오목하다. 슈라우드(51)는 환상 홈(12) 내로 들어가 있다.

3개의 스텝부(52)에 대향하도록 직경방향 내측을 향하는 환상 홈(12)의 바닥부에는, 3개의 환상 오목부(13)(정지측 둘레면)이 축선방향(Da)으로 나열되어 형성되어 있다. 3개의 환상 오목부(13)는 상류측(Da1)으로부터 하류측(Da2)을 향해 단차에 의해 점차 축경되어 있다.

축선방향(Da)으로 서로 인접한 2개의 환상 오목부(13)의 경계에 위치하는 각각의 케이싱측 단연부(14)에는, 슈라우드(51)를 향해 직경방향 내측으로 연장되는 시일 핀(5)이 마련되어 있다. 케이싱측 단연부(14) 및 시일 핀(5)의 축선방향(Da) 위치는 각각의 스텝부(52)의 외주면(54)에 대향하도록 설정되어 있다.

3개의 시일 핀(5)은 축선방향(Da)으로 간격을 두고 배열되며, 3개의 스텝부(52)에 1:1로 대응하도록 마련되어 있다. 3개의 시일 핀(5)은 축선방향(Da)으로 등간격으로 배열되어 있다. 이하, 제 1 스텝부(52A)의 외주면(54A)을 향해 연장되는 시일 핀(5)을 제 1 시일 핀(5A)(상류측 시일 핀)이라 하고, 제 2 스텝부(52B)의 외주면(54B)을 향해 연장되는 시일 핀(5)을 제 2 시일 핀(5B)(하류측 시일 핀)이라 하고, 제 3 스텝부(52C)의 외주면(54C)을 향해 연장되는 시일 핀(5)을 제 3 시일 핀(5C)이라 한다.

각각의 스텝부(52)의 외주면(54)과 각각의 시일 핀(5)의 선단과의 사이에는 직경방향(Dr)의 미소 간극(H)이 형성되어 있다. 미소 간극(H)의 각 치수는, 케이싱(10)이나 동익(50)의 열신장량, 동익(50)의 원심 신장량 등을 고려한 다음, 양자가 접촉하지 않는 안전한 범위에서 최소의 것으로 설정되어 있다. 본 실시형태에서는, 3개의 미소 간극(H1, H2, H3)의 치수가 동일하게 설정되어 있다.

여기서, 제 1 스텝부(52A), 제 2 스텝부(52B) 및 제 1 후향 스텝면(53A)을 이용하여, 본 실시형태의 시일 구조(2A)에 대해 설명한다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 제 1 스텝부(52A)는 축선방향(Da)으로 연장되는 외주면(54A)[이하, 상류측 둘레면(54A)이라 함]을 갖고 있다. 제 2 스텝부(52B)는 축선방향(Da)으로 연장되는 외주면(54B)[이하, 하류측 둘레면(54B)이라 함]을 갖고 있다. 하류측 둘레면(54B)은 상류측 둘레면(54A)의 하류측에 위치하며, 상류측 둘레면(54A)보다도 환상 오목부(13)로부터 직경방향(Dr)으로 후퇴해 있다. 환언하면, 하류측 둘레면(54B)은 상류측 둘레면(54A)보다 직경방향 내측에 위치하고 있다.

상류측 둘레면(54A) 및 하류측 둘레면(54B)은 축선(A)과 동축의 원통 형상을 이루고 있다.

후향 스텝면(53)은, 직경방향 외측[환상 오목부(13)]을 향함에 따라서 하류측(Da2)을 향해 연장되며 상류측 둘레면(54A)에 접속된 안내면(55)을 갖고 있다. 즉, 안내면(55)은 축선(A)과 직교하도록 형성되어 있지 않고, 하류측(Da2)을 향해 점차 확경되는 테이퍼 형상으로 형성되어 있다. 환언하면, 후향 스텝면(53)은 후향 스텝면(53)의 직경방향 외측이 직경방향 내측보다 하류측(Da2)이 되도록 경사져 있다.

안내면(55)의 둘레방향에서 본 단면 형상에 있어서, 축선(A)에 직교하는 평면에 대한 안내면(55)의 각도(α1)는, 0°＜α1≤30°로 하는 것이 바람직하다.

후향 스텝면(53)은, 후향 스텝면(53)과 하류측 둘레면(54B)을 매끄럽게 접속하는 호상부(56)를 갖고 있다. 호상부(56)의 표면은 둘레방향에서 본 단면 형상이 원호 형상이다. 호상부의 표면의 곡률 반경(R)은, 제 1 스텝부(52A)의 높이[상류측 둘레면(54A)과 하류측 둘레면(54B) 사이의 직경방향(Dr)의 거리]를 S1로 한 경우, 00로 하는 것이 바람직하다.

제 2 시일 핀(5B)과 상류측 둘레면(54A)의 하단부[안내면(55)의 직경방향 외측의 단부]와의 사이의 거리를 L, 제 2 시일 핀(5B)과 하류측 둘레면(54B) 사이의 미소 간극의 치수를 H2로 하면, 제 1 스텝부(52A)와 제 2 시일 핀(5B)은 이하의 식 (1)을 만족하게 형성되어 있다.

1.5≤L/H2≤5.0 … (1)

즉, 거리(L)는 미소 간극(H2)의 1.5배 내지 5.0배 정도로 설정되어 있다. L/H2=2.0으로 하는 것이 가장 바람직하며, 본 실시형태의 시일 구조(2A)는 L/H2=2.0으로 되어 있다.

증기 터빈(1)의 동작에 대해 설명한다.

우선, 도시하지 않는 보일러 등의 증기(S) 공급원으로부터 증기 공급관(20)을 거쳐서, 증기(S)가 케이싱(10)의 내부 공간에 유입된다.

케이싱(10)의 내부 공간에 유입된 증기(S)는 각 단에 있어서의 환상 정익군과 환상 동익군을 순차 통과한다. 이때에는, 압력 에너지가 정익(40)에 의해 속도 에너지로 변환되고, 정익(40)을 거친 증기(S)의 대부분이 동일한 단을 구성하는 동익(50) 사이에 유입되고, 동익(50)에 의해 증기(S)의 속도 에너지·압력에너지가 회전 에너지로 변환되어, 회전축(30)에 회전이 부여된다. 한편, 증기(S) 중 일부(예컨대, 수%)는, 정익(40)으로부터 유출된 후, 환상 홈 내[동익(50)의 슈라우드(51)와 케이싱(10)의 칸막이판 외륜(11)과의 간격]에 유입되는, 이른바, 누설 증기가 된다.

도 4에 도시하는 바와 같이, 환상 홈(12) 내에 유입된 증기(S) 중 제 1 시일 핀(5A)과 상류측 둘레면(54A) 사이로부터 하류측(Da2)으로 유입된 증기(S)는, 제 2 시일 핀(5B)에 충돌하여, 상류측(Da1)으로 되돌아오도록 흐른다. 이에 의해, 캐비티(C1)[서로 인접한 시일 핀(5) 사이의 공간]에는 제 1 회전방향으로 회전하는 주 소용돌이(MV1)가 발생한다.

그때, 상류측 둘레면(54A)과 후향 스텝면(53)[안내면(55)]의 각부(角部)(에지)에서, 주 소용돌이(MV1)로부터 일부의 흐름이 박리됨으로써, 후향 스텝면(53)과 제 2 시일 핀(5B) 사이의 공간에는, 주 소용돌이(MV1)와 반대인 제 2 회전방향으로 회전하는 박리 소용돌이(SV1)가 발생한다.

박리 소용돌이(SV1)는 하류측 둘레면(54B)과 제 2 시일 핀(5B) 사이의 미소 간극(H2)의 상류측 근방에 위치하고 있다. 특히, 박리 소용돌이(SV1) 중 직경방향 내측을 향하는 다운플로우가 미소 간극(H2)의 직전에서 생기기 때문에, 캐비티(C1)로부터 미소 간극(H2)을 통하여 하류측(Da2)에 유입되는 누출 흐름을 저감하는 축류 효과가, 박리 소용돌이(SV1)에 의해 얻어진다.

후향 스텝면(53)이, 직경방향 외측을 향함에 따라서 하류측(Da2)을 향해 연장되며 상류측 둘레면(54A)에 접속된 안내면(55)을 갖는 것에 의해, 제 2 시일 핀(5B)과 후향 스텝면(53) 사이에 형성되는 박리 소용돌이(SV1)를 강화할 수 있다. 이에 의해, 박리 소용돌이(SV1)에 의한 미소 간극(H2)을 통과하는 증기(S)의 축류 효과를 더욱 강화시킬 수 있다.

또한, 거리(L)가 미소 간극(H2)의 2배 정도로 설정되어 있는 것에 의해, 박리 소용돌이(SV1)가 진원을 형성한다고 가정하면, 박리 소용돌이(SV1)의 직경이 미소 간극(H2)의 2배가 되고, 그 외주가 제 2 시일 핀(5B)에 접하는 경우에, 박리 소용돌이(SV1)의 다운플로우에 있어서의 직경방향 내측을 향하는 속도 성분의 최대 위치가 제 2 시일 핀(5B)의 선단에 일치하게 된다. 이 경우, 다운플로우가 미소 간극(H2)의 직전을 보다 양호하게 통과하기 때문에, 누출 흐름에 대한 축류 효과가 최대가 되는 것으로 여겨진다.

상기 실시형태에 의하면, 시일 핀(5)의 상류측에 후향 스텝면(53)을 배치하는 것에 의해, 시일 핀(5)의 상류측에 박리 소용돌이(SV1)를 형성할 수 있다. 이 박리 소용돌이(SV1)는, 시일 핀(5)의 상류측에서, 속도 벡터를 직경방향 내측으로 향하게 하는 다운플로우를 일으키므로, 미소 간극(H)을 빠져나가는 누출 흐름을 저감하는 축류 효과를 발휘할 수 있다.

또한, 후향 스텝면(53)이, 직경방향 외측을 향함에 따라서 하류측을 향해 연장되며 상류측 둘레면(54A)에 접속된 안내면(55)을 갖는 것에 의해, 안내면(55)의 하류측의 시일 핀(5)과 후향 스텝면(53) 사이에 형성되는 박리 소용돌이(SV1)를 강화할 수 있다. 이에 의해, 박리 소용돌이(SV1)에 의한 미소 간극(H)을 통과하는 누설 증기의 축류 효과를 더욱 강화하여, 누설 증기의 유량을 보다 저감할 수 있다.

또한, 후향 스텝면(53)과 하류측 둘레면(54B)을 매끄럽게 접속하는 호상부(56)를 갖는 것에 의해, 시일 핀(5)과 후향 스텝면(53) 사이에 형성되는 박리 소용돌이(SV1)를 강화할 수 있다.

또한, 상술의 실시형태에서는, 후향 스텝면(53)과 하류측 둘레면(54B) 사이에 단면 원호 형상의 호상부(56)가 마련되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 도 5에 도시하는 변형예와 같이, 호상부를 마련하는 일 없이, 후향 스텝면(53)과 하류측 둘레면(54B)이 예각을 이루도록 접속되어도 좋다.

또한, 도 5에 도시하는 변형예와 같이, 시일 핀(5)과 환상 오목부(13)와의 접속부에 시일 핀(5)의 주면과 환상 오목부(13)를 매끄럽게 접속하는 원호 형상의 핀 호상부(57)를 마련해도 좋다. 시일 핀(5)과 환상 오목부(13)와의 접속부에 원호 형상의 핀 호상부(57)를 마련하는 것에 의해, 캐비티에 생성되는 주 소용돌이(MV1)를 강화할 수 있다.

또한, 상술의 실시형태에서는, 칸막이판 외륜(11)의 슈라우드(51)에 대응하는 부위에 환상 홈(12)을 형성하고, 이 환상 홈(12)을, 3개의 스텝부(52)에 대응하도록, 단차에 의해 점차 축경된 3개의 환상 오목부(13)에 의해 구성한 경우에 대해 설명했다. 그렇지만, 이에 한정되는 것이 아니고, 환상 홈(12) 전체를 대략 동일 직경으로 형성해도 좋다.

[제 2 실시형태]

이하, 본 발명의 제 2 실시형태의 시일 구조(2B)에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시형태에서는, 상술한 제 1 실시형태와의 차이점을 중심으로 설명하며, 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략한다.

도 6에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태의 시일 구조(2B)의 시일 핀(6)은 직경방향 내측[슈라우드(51)]을 향함에 따라서 상류측(Da1)을 향하도록 경사져 있다. 즉, 시일 핀(6)의 주면은 축선(A)과 직교하도록 형성되지 않고, 하류측(Da2)을 향해 점차 확경되는 테이퍼 형상으로 형성되어 있다. 환언하면, 시일 핀(6)은 시일 핀(6)의 직경방향 외측이 직경방향 내측보다 하류측이 되도록 경사져 있다.

제 1 시일 핀(6A)의 축선(A)에 직교하는 평면에 대한 각도를 β1, 안내면(55)의 축선(A)에 직교하는 평면에 대한 각도를 α2, 제 2 시일 핀(6B)의 축선(A)에 직교하는 평면에 대한 각도를 β2로 하면, 본 실시형태의 시일 구조(2B)는, 이하의 식 (2), 식 (3) 및 식 (4)을 만족하게 형성되어 있다.

10°≤β1≤25° … (2)

10°≤β2≤25° … (3)

0°＜α2≤β2＋30° … (4)

상기 실시형태에 의하면, 시일 핀(6)이 경사져 있는 것에 의해, 제 1 시일 핀(6A)과 상류측 둘레면(54A) 사이의 미소 간극(H1)으로부터 하류측(Da2)에 유입된 증기가 제 2 시일 핀(6B)에 충돌할 때에, 보다 스무스하게 주 소용돌이(MV2)를 형성할 수 있다. 이에 의해, 주 소용돌이(MV2)를 강화할 수 있으며, 나아가서는, 박리 소용돌이(SV2)를 강화할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 시일 구조(2B)에서는, 시일 핀(6)과 환상 오목부(13)와의 접속부에 시일 핀(5)의 주면과 환상 오목부(13)를 매끄럽게 접속하는 원호 형상의 핀 호상부(57)를 마련하고 있지만, 핀 호상부를 마련하는 일 없이 시일 핀(6)과 환상 오목부(13)를 접속해도 좋다.

[제 3 실시형태]

이하, 본 발명의 제 3 실시형태의 시일 구조(2C)에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시형태에서는, 상술한 제 1 실시형태와의 차이점을 중심으로 설명하며, 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략한다.

도 7에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태의 시일 구조(2C)의 슈라우드(51)는, 축선방향(Da)에 있어서의 중앙 부분이 돌출하여 스텝 형상으로 형성된 중앙 스텝부(72)를 구비하고 있다. 구체적으로는, 슈라우드(51C)의 직경방향 외측의 면은, 베이스면(74)과, 베이스면(74)보다 직경방향 외측으로 돌출하는 중앙 스텝면(75)(중앙 둘레면)을 갖고 있다.

이하, 중앙 스텝부(72)보다 상류측의 베이스면(74)을 제 1 베이스면(74A)이라 하고, 중앙 스텝부(72)보다 하류측의 베이스면(74)을 제 2 베이스면(74B)이라 한다.

환상 오목부(13)에는, 슈라우드(51C)를 향해 직경방향(Dr)으로 연장되는 3개의 시일 핀(7)이 마련되어 있다. 시일 핀(7)은 각각 슈라우드(51C)를 향하여 환상 오목부(13)로부터 직경방향 내측으로 연장되어 있으며, 둘레방향으로 연장되어 있다.

구체적으로는, 가장 상류측의 제 1 시일 핀(7A)은 제 1 베이스면(74A)을 향해 돌출되어 있다. 제 1 시일 핀(7A)의 하류측에 배치되어 있는 제 2 시일 핀(7B)은 중앙 스텝면(75)을 향해 돌출되어 있다. 제 2 시일 핀(7B)의 하류측에 배치되어 있는 제 3 시일 핀(7C)은 제 2 베이스면(74B)을 향해 돌출되어 있다. 제 2 시일 핀(7B)은 제 1 시일 핀(7A) 및 제 3 시일 핀(7C)보다 직경방향(Dr)의 길이가 짧아지도록 형성되어 있다.

또한, 시일 핀(7)은 직경방향 내측[슈라우드(51)]을 향함에 따라서 상류측을 향하도록 경사져 있다. 시일 핀(7)은 슈라우드(51C)와 미소 간극(H)을 직경방향(Dr)으로 형성하고 있다.

즉, 본 실시형태의 칸막이판 외륜(11)과 슈라우드(51C) 사이에는 스텝형의 래비린스 시일인 시일 구조(2C)가 마련되어 있다.

제 1 베이스면(74A)과 중앙 스텝면(75)은 전향 스텝면(73)으로 접속되어 있다. 전향 스텝면(73)은 축선방향(Da)의 상류측(Da1)을 향하고 있다.

중앙 스텝면(75)과 제 2 베이스면(74B)은 후향 스텝면(76)으로 접속되어 있다. 후향 스텝면(76)은 축선방향(Da)의 하류측(Da2)을 향하고 있다.

전향 스텝면(73)은, 직경방향 외측[환상 오목부(13)]을 향함에 따라서 하류측을 향해 경사지며 중앙 스텝면(75)에 접속된 안내면(77)을 갖고 있다.

전향 스텝면(73)과 제 1 베이스면(74A)을 매끄럽게 접속하는 호상부를 마련해도 좋다.

제 2 시일 핀(7B)의 축선(A)에 직교하는 평면에 대한 각도를 β3, 안내면(77)의 축선(A)에 직교하는 평면에 대한 각도를 α3, 제 3 시일 핀(7C)의 축선(A)에 직교하는 평면에 대한 각도를 β4로 하면, 본 실시형태의 시일 구조(2C)는, 이하의 식 (5), 식 (6) 및 식 (7)을 만족하게 형성되어 있다.

10°≤β3≤25° … (5)

10°≤β4≤25° … (6)

0°＜α3≤β3＋30° … (7)

제 1 베이스면(74A)으로부터의 중앙 스텝면(75)의 직경방향(Dr)의 높이[베이스면(74)에 대한 중앙 스텝부(72)의 돌출량]를 S1, 중앙 스텝면(75)과 환상 오목부(13) 사이의 직경방향(Dr)의 거리[슈라우드(51C)와 칸막이판 외륜(11) 사이에 형성된 캐비티의 직경방향(Dr)의 치수]를 D로 하면, 시일 구조(2C)는, 이하의 식 (8)을 만족하게 형성되어 있다.

1.5×H1≤S1≤D … (8)

즉, 거리(S1)는 미소 간극(H1)의 1.5배 이상으로 설정되어 있는 동시에 거리(D) 이하로 설정되어 있다.

다음에, 본 실시형태의 시일 구조(2C)의 작용에 대해 설명한다.

도 8에 도시하는 바와 같이, 제 1 시일 핀(7A)과 제 1 베이스면(74A) 사이의 미소 간극(H1)으로부터 유입된 증기(S)가 전향 스텝면(73)에 충돌함으로써, 캐비티(C1)에 주 소용돌이(MV3)가 발생한다.

그때, 안내면(77)과 중앙 스텝면(75)과의 각부에서, 주 소용돌이(MV3)로부터 일부의 흐름이 박리됨으로써, 박리 소용돌이(SV3)가 발생한다. 박리 소용돌이(SV3)는 제 1 실시형태의 박리 소용돌이(SV1)와 마찬가지로 미소 간극(H2)을 통해 하류측(Da2)에 유입되는 누출 흐름을 저감한다.

또한, 미소 간극(H2)으로부터 하류측(Da2)에 유입된 증기(S)가 제 3 시일 핀(7C)에 충돌함으로써, 캐비티(C2)에 주 소용돌이(MV4)가 발생한다. 그때, 중앙 스텝면(75)과 후향 스텝면(76)과의 각부에서, 주 소용돌이(MV4)로부터 일부의 흐름이 박리됨으로써, 박리 소용돌이(SV4)가 발생한다.

상기 실시형태에 의하면, 전향 스텝면(73)의 안내면(77)이 경사지게 형성되어 있는 것에 의해, 박리 소용돌이(SV3)가 보다 작게 형성된다. 이에 의해, 박리 소용돌이(SV3)에 의한 축류 효과를 보다 강화할 수 있다. 또한, 주 소용돌이(MV3)가 시일 핀(7)을 따르도록 형성되는 것에 의해, 주 소용돌이(MV3)를 강화할 수 있다. 주 소용돌이(MV3)가 강화되는 것에 의해, 박리 소용돌이(SV3)를 강화할 수 있다.

또한, 제 1 베이스면(74A)으로부터의 중앙 스텝면(75)의 높이(S1)가 미소 간극(H1)의 1.5배 이상으로 설정되어 있는 것에 의해, 미소 간극(H1)으로부터 미소 간극(H2)으로 지나가는 증기(S)를 저감할 수 있다.

또한, 캐비티의 직경방향(Dr)의 폭(D)을 제 1 베이스면(74A)으로부터의 중앙 스텝면(75)의 높이(S1) 이상으로 설정하는 것에 의해, 제 2 시일 핀(7B)과 제 3 시일 핀(7C) 사이의 제 2 캐비티(C2)에 형성되는 주 소용돌이(MV4)를 크게 할 수 있다. 이에 의해, 미소 간극(H2)의 하류측의 압력을 높게 할 수 있어서, 미소 간극(H2)으로부터 지나가는 증기(S)를 저감할 수 있다.

또한, 본 발명은 상술의 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 상술의 실시형태에 여러 가지의 변경을 가한 것을 포함한다.

예컨대, 상술의 실시형태에서는, 시일 핀을 3개 마련하고, 이에 의해 캐비티를 2개 형성한 경우에 대해 설명했다. 그렇지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 시일 핀이나 이에 대응하는 캐비티의 수에 대해서는 임의여서, 하나라도, 3개 또는 4개 이상이라도 좋다.

또한, 상술의 실시형태에서는, 최종단의 동익(50)이나 정익(40)에 본 발명을 적용했지만, 다른 단의 동익(50)이나 정익(40)에 본 발명을 적용해도 좋다.

나아가, 상술의 실시형태에서는, 슈라우드(51)에 스텝부를 형성하는 동시에, 칸막이판 외륜(11)에 시일 핀을 마련한 경우에 대해 설명했다. 그렇지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 슈라우드(51)에 시일 핀을 마련하는 동시에, 칸막이판 외륜(11)에 스텝부를 마련하는 구성으로 해도 좋다.

또한, 정익(40)의 선단부에 스텝부를 형성하는 동시에, 회전축(30)에 시일 핀을 마련하는 구성으로 해도 좋다. 또한, 정익(40)의 선단부에 시일 핀을 마련하는 동시에, 회전축(30)에 스텝부를 형성하는 구성으로 해도 좋다.

또한, 상술의 실시형태에서는, 본 발명을 복수식(復水式)의 증기 터빈에 적용했지만, 다른 형식의 증기 터빈, 예컨대, 2단 추기 터빈, 추기 터빈, 혼기 터빈 등의 터빈 형식에 본 발명을 적용할 수도 있다.

또한, 상술의 실시형태에서는, 본 발명을 증기 터빈에 적용했지만, 가스 터빈에도 본 발명을 적용할 수 있으며, 나아가서는, 회전 날개가 있는 모든 것에 본 발명을 적용할 수 있다.

또한, 시일 구조를 회전 날개가 마련되지 않은 개소에 적용해도 좋다. 예컨대, 케이싱과 회전축 사이의 간격에 본 발명의 시일 구조를 적용해도 좋다.

산업상의 이용 가능성

1: 증기 터빈
2A, 2B, 2C: 시일 구조
5, 6, 7: 시일 핀
5A, 6A, 7A: 제 1 시일 핀
5B, 6B, 7B: 제 2 시일 핀
5C, 6C, 7C: 제 3 시일 핀
10: 케이싱
11: 칸막이판 외륜
12: 환상 홈
13: 환상 오목부
14: 케이싱측 단연부
20: 증기 공급관
21: 주류 입구
22: 증기 배출관
30: 회전축
31: 회전축 본체
40: 정익
50: 동익
51: 슈라우드
52: 스텝부
52A: 제 1 스텝부
52B: 제 2 스텝부
52C: 제 3 스텝부
53: 후향 스텝면
54: 외주면
54A: 상류측 둘레면
54B: 하류측 둘레면
55: 안내면
56: 호상부
57: 핀 호상부
60: 베어링부
61: 저널 베어링 장치
62: 스러스트 베어링 장치
72: 중앙 스텝부
73: 전향 스텝면
74: 베이스면
75: 중앙 스텝면
76: 후향 스텝면
A: 축선
C: 캐비티
Da: 축선방향
Dr: 직경방향
H: 미소 간극
S: 증기

Claims

축선의 둘레방향으로 연장되는 정지측 둘레면을 갖는 정지체와,
상기 축선 주위로 회전하며 상기 정지측 둘레면과 대향하는 회전측 둘레면을 갖는 회전체를 구비하고,
상기 정지측 둘레면과 상기 회전측 둘레면 중 일방이,
상기 축선방향으로 연장되는 상류측 둘레면과,
상기 상류측 둘레면에 있어서의 유체의 하류측에 위치하며 상기 축선방향으로 연장되는 동시에, 상기 상류측 둘레면보다 상기 정지측 둘레면과 상기 회전측 둘레면 중 타방으로부터 후퇴하는 하류측 둘레면과,
상기 상류측 둘레면과 상기 하류측 둘레면을 접속하며 상기 하류측을 향하는 후향 스텝면을 갖고,
상기 타방으로부터 상기 상류측 둘레면을 향해 연장되며, 상기 상류측 둘레면과의 사이에 미소 간극을 형성하는 상류측 시일 핀과,
상기 타방으로부터 상기 하류측 둘레면을 향해 연장되며, 상기 하류측 둘레면과의 사이에 미소 간극을 형성하는 하류측 시일 핀을 추가로 구비하고,
상기 후향 스텝면이, 상기 타방을 향함에 따라서 상기 하류측을 향해 연장되며 상기 상류측 둘레면에 접속된 안내면을 갖는
회전 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 상류측 시일 핀 및 상기 하류측 시일 핀은 상기 일방측을 향함에 따라서 상기 상류측을 향하도록 경사져 있는
회전 기계.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 후향 스텝면과 상기 하류측 둘레면을 매끄럽게 접속하는 호상부를 갖는
회전 기계.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상류측 시일 핀 및 상기 하류측 시일 핀과 상기 타방을 매끄럽게 접속하는 핀 호상부를 갖는
회전 기계.
축선의 둘레방향으로 연장되는 정지측 둘레면을 갖는 정지체와,
상기 축선 주위로 회전하며 상기 정지측 둘레면과 대향하는 회전측 둘레면을 갖는 회전체를 구비하고,
상기 정지측 둘레면과 상기 회전측 둘레면 중 일방이,
상기 축선방향으로 연장되는 상류측 둘레면과,
상기 상류측 둘레면에 있어서의 작동 유체의 하류측에 위치하며 상기 축선방향으로 연장되는 동시에, 상기 상류측 둘레면보다 상기 정지측 둘레면과 상기 회전측 둘레면 중 타방으로 돌출하는 중앙 둘레면과,
상기 중앙 둘레면의 하류측에 위치하며 상기 축선방향으로 연장되는 동시에, 상기 중앙 둘레면보다 상기 타방으로부터 후퇴하는 하류측 둘레면과,
상기 상류측 둘레면과 상기 중앙 둘레면을 접속하며 상기 상류측을 향하는 전향 스텝면을 갖고,
상기 타방으로부터 상기 상류측 둘레면을 향해 연장되며, 상기 상류측 둘레면과의 사이에 미소 간극을 형성하는 상류측 시일 핀과,
상기 타방으로부터 상기 중앙 둘레면을 향해 연장되며, 상기 중앙 둘레면과의 사이에 미소 간극을 형성하는 중앙 시일 핀과,
상기 타방으로부터 상기 하류측 둘레면을 향해 연장되며, 상기 하류측 둘레면과의 사이에 미소 간극을 형성하는 하류측 시일 핀을 추가로 구비하고,
상기 전향 스텝면이, 상기 타방을 향함에 따라서 상기 하류측을 향해 경사지며 상기 중앙 둘레면에 접속된 안내면을 갖고,
상기 상류측 시일 핀과 상기 중앙 시일 핀과 상기 하류측 시일 핀은 상기 일방측을 향함에 따라서 상류측을 향하도록 경사져 있는
회전 기계.