KR20210021567A - 회전 기계 및 시일 부재 - Google Patents

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미츠비시 파워 가부시키가이샤
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Abstract

회전 기계 및 시일 부재에 있어서, 케이싱(11)과, 케이싱(11) 내에 회전 가능하게 지지되는 로터(12)와, 케이싱(11)의 내주부에 고정되는 정익(13)과, 로터(12)의 외주부에 고정되는 동익(14)과, 케이싱(11)의 내주부와 동익(14)의 선단부와의 사이에 배치되는 시일 장치(15)를 구비하고, 케이싱(11)의 내주부에 날개 장착홈(31)을 마련함과 함께, 날개 장착홈(31)에 인접하여 코킹홈(32)을 마련하며, 정익(13)의 기단부를 날개 장착홈(31)에 장착하고, 코킹 부재(33)를 코킹홈(32) 및 정익(13)의 익근부(13a)에 계지됨으로써 케이싱(11)의 내주부에 정익(13)을 고정하며, 시일 장치(15)로서 케이싱(11)의 내주부에 시일 링(41)을 장착하고, 시일 링(41)에 의하여 코킹홈(32)이 적어도 일부를 피복한다.

Description

회전 기계 및 시일 부재
본 발명은, 정지(靜止) 측과 회전 측의 사이에서 유체의 누출을 억제하는 시일(seal) 장치가 배치되는 회전 기계, 시일 장치를 구성하는 시일 부재에 관한 것이다.
예를 들면, 증기 터빈은, 케이싱 내에 로터가 베어링에 의하여 회전 가능하게 지지되고, 로터에 복수 단의 동익(動翼)이 고정되는 한편, 케이싱에 복수 단의 정익(靜翼)이 고정되어 구성되어 있다. 그리고, 증기가 케이싱의 공급구로부터 공급되고, 복수의 동익과 정익을 통과함으로써, 각 동익을 개재하여 로터가 구동 회전하여, 배출구로부터 외부로 배출된다.
이와 같은 증기 터빈에서는, 케이싱과 동익의 선단부와의 사이에 있어서의 증기의 축방향의 누출 흐름을 억제하기 위하여, 동익의 선단부와 케이싱의 사이에 시일 장치가 마련되어 있다. 이 시일 장치는, 일반적으로 래버린스 시일이 적용되어 있다. 래버린스 시일은, 동익의 선단부나 케이싱의 내면에 복수의 시일핀이 마련되어 구성되어 있다. 복수의 시일핀과 케이싱의 내면이나 동익의 선단부와의 사이에 간극을 형성함으로써 압력 손실을 발생시키고, 이 압력 손실에 의하여 축방향에 있어서의 증기의 누출 흐름을 억제한다. 이와 같은 시일 장치로서, 예를 들면 하기 특허문헌 1에 기재된 것이 있다.
일본 공개 실용신안공보 평04-093573호
상술한 증기 터빈에서, 시일 장치로부터 누출된 증기의 흐름은, 동익이나 정익을 통과한 증기의 주류(主流)와 합류한다. 증기의 주류는, 로터의 축방향을 따른 흐름이지만, 동익 선단부의 증기의 누출 흐름은, 케이싱의 내주부(內周部)로부터 로터 측을 향하여 경사진 흐름이다. 이 경우, 증기의 주류에 대하여 증기의 누출 흐름을 원활하게 합류시킴으로써, 이 합류부에서의 혼합 손실을 작게 하여 성능의 저하를 억제하는 것이 중요하다.
그런데, 동익은, 직경 방향의 내측에 위치하는 기단부(基端部)가 로터의 외주부(外周部)에 고정되는 한편, 정익은, 직경 방향의 외측에 위치하는 기단부가 케이싱의 내주부에 고정된다. 이 경우, 정익은, 기단부가 케이싱의 내주부에 형성된 장착홈에 끼워 넣어진 후, 정익의 기단부와 장착홈의 사이에 형성된 코킹홈에 코킹 부재가 삽입되어 케이싱에 고정된다. 이 코킹홈은, 정익에 있어서의 증기의 흐름 방향의 상류 측에 형성되어 있다. 그 때문에, 시일 장치로부터 누출된 증기의 흐름은, 코킹홈의 영향을 받음으로써 직경 방향을 따른 세로로 긴 와류가 되어, 증기의 주류에 대하여 큰 경사 각도를 갖고 합류한다. 그러면, 증기의 누출 흐름이 증기의 주류에 합류할 때에 서로 간섭하여, 이 합류부에서의 혼합 손실이 커져 성능의 저하를 초래해 버린다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하는 것이며, 유체의 주류에 대하여 시일 장치로부터의 유체의 누출 흐름을 원활하게 합류시킴으로써 합류부에서의 혼합 손실을 저감시켜 성능의 향상을 도모하는 회전 기계 및 시일 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 회전 기계는, 중공(中空) 형상을 이루는 케이싱과, 상기 케이싱 내에 회전 가능하게 지지되는 로터와, 상기 케이싱의 내주부에 고정되는 정익과, 상기 로터의 외주부에 상기 정익에 대하여 상기 로터의 축방향으로 어긋나게 고정되는 동익과, 상기 케이싱의 내주부와 상기 동익의 선단부와의 사이에 배치되는 시일 장치를 구비하고, 상기 케이싱은, 내주부에 장착 오목부가 마련됨과 함께, 상기 장착 오목부에 인접하여 코킹 오목부가 마련되며, 상기 정익은, 기단부가 상기 장착 오목부에 장착되고, 코킹 부재가 상기 코킹 오목부 및 상기 정익의 기단부에 계지(係止)됨으로써 상기 케이싱의 내주부에 고정되며, 상기 시일 장치는, 상기 케이싱의 내주부에 장착되는 시일 부재를 갖고, 상기 시일 부재는, 상기 코킹 오목부의 적어도 일부를 피복하는 것을 특징으로 하는 것이다.
따라서, 유체가 케이싱의 내부에 공급되면, 유체의 주류가 정익과 동익을 통과함으로써 동익이 회전하는 한편, 일부의 유체가 케이싱과 동익의 선단부와의 사이에 흘러, 시일 장치가 기능하여 유체의 누출이 억제된다. 이때, 시일 장치로부터 누출된 유체의 일부가 정익과 동익을 통과한 유체의 주류에 합류한다. 여기에서, 케이싱의 내주부에 마련된 코킹 오목부가 시일 부재에 의하여 피복되어 있는 점에서, 시일 장치로부터 누출된 유체가 코킹 오목부의 영향을 받아 세로로 긴 와류를 형성하지 않고, 원활하게 유체의 주류에 합류한다. 그 결과, 유체의 주류에 대하여 시일 장치로부터 누출된 유체를 원활하게 합류시킴으로써, 합류부에서의 혼합 손실을 저감시켜 성능의 향상을 도모할 수 있다.
본 발명의 회전 기계에서는, 상기 코킹 오목부는, 상기 장착 오목부보다 유체의 흐름 방향의 상류 측에 마련되고, 상기 시일 부재에 있어서의 유체의 흐름 방향의 하류 측의 단부(端部)가 상기 코킹 오목부를 피복하는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 시일 부재의 단부가 코킹 오목부를 피복하는 점에서, 간단한 구조로 적정하게 코킹 오목부를 피복할 수 있다.
본 발명의 회전 기계에서는, 상기 시일 부재에 있어서의 유체의 흐름 방향의 단부와, 상기 정익의 사이에 소정 간극이 마련되는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 시일 부재의 단부와 정익의 사이에 소정 간극이 마련되는 점에서, 열팽창에 의하여 시일 부재가 주변 부재에 간섭하는 것이 억제되어, 시일 부재의 변형을 억제할 수 있다.
본 발명의 회전 기계에서는, 복수 단의 상기 정익의 사이에 상기 시일 부재에 의하여 상기 로터의 축방향을 따르는 평탄면이 마련되는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 시일 부재에 의하여 평탄면이 마련되는 점에서, 시일 장치로부터 누출되는 유체를 평탄면으로 보다 매끄럽게 흐르게 함으로써, 유체의 주류에 대하여 이 유체의 누출 흐름을 원활하게 합류시킬 수 있다.
본 발명의 회전 기계에서는, 상기 시일 부재의 평탄면은, 상기 케이싱의 내주면과 단차 없이 연속되는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 시일 부재의 평탄면이 케이싱의 내주면과 단차 없이 연속되는 점에서, 시일 장치에 도입되는 유체나 시일 장치로부터 누출되는 유체를 평탄면과 내주면으로 보다 매끄럽게 흐르게 함으로써, 유체의 주류에 대하여 이 유체의 누출 흐름을 원활하게 합류시킬 수 있다.
또, 시일 부재는, 케이싱의 내주부와 동익의 선단부와의 사이에 배치되는 시일 부재이고, 상기 케이싱의 내주부에 장착되는 장착부와, 상기 장착부의 직경 방향 내방(內方)에 마련되는 시일부와, 상기 시일부로부터 직경 방향 내방으로 돌출되어 유체의 흐름 방향으로 소정 간격을 두고 마련되는 복수의 핀을 구비하며, 상기 복수의 핀 중의 최상류핀과 최하류핀과의 거리를 D1로 하고, 상기 최하류핀과 상기 시일부의 하류단과의 거리를 D2로 하면, D1×0.5<D2인 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 유체의 주류에 대하여 시일 부재로부터 누출된 유체를 원활하게 합류시킴으로써, 합류부에서의 혼합 손실을 저감시켜 성능의 향상을 도모할 수 있다.
본 발명의 시일 부재에서는, 상기 시일부의 상류단과 상기 최상류핀과의 거리를 D3으로 하면, D3<D2인 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 시일 부재에서는, 상기 시일부는, 케이싱의 내주부에 장착된 조립 상태에서, 상기 동익의 하류단으로부터 하류로 뻗는 돌출부를 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 시일 부재에서는, 상기 돌출부는, 상기 조립 상태에서 직경 방향 외방(外方)에 캐비티가 마련되는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 시일 부재에서는, 상기 시일부는, 상기 돌출부보다 상류에만 상기 복수의 핀이 마련되는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 회전 기계 및 시일 부재에 의하면, 유체의 주류에 대하여 시일 장치로부터의 유체의 누출 흐름을 원활하게 합류시킴으로써, 합류부에서의 혼합 손실을 저감시켜 성능의 향상을 도모할 수 있다.
도 1은, 본 실시형태의 회전 기계로서의 증기 터빈에 있어서의 시일 장치의 장착부를 나타내는 단면도이다.
도 2는, 본 실시형태의 증기 터빈에 있어서의 변형예의 시일 장치의 장착부를 나타내는 단면도이다.
도 3은, 본 실시형태의 증기 터빈을 나타내는 개략도이다.
도 4는, 본 실시형태의 시일 부재의 구성을 설명하기 위한 개략도이다.
이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 관한 회전 기계의 적합한 실시형태를 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시형태에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니고, 또 실시형태가 복수 존재하는 경우에는, 각 실시형태를 조합하여 구성하는 것도 포함하는 것이다.
도 3은, 본 실시형태의 증기 터빈을 나타내는 개략도이다.
본 실시형태에서는, 본 발명의 회전 기계로서, 증기 터빈을 예로 들어 설명한다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 증기 터빈(10)은, 케이싱(11)과, 로터(12)와, 정익(13)과, 동익(14)과, 시일 장치(15)를 구비하고 있다.
케이싱(11)은, 중공 형상을 이루고, 내부에 로터(12)가 수평 방향을 따라 배치되어 있다. 로터(12)는, 케이싱(11)에 마련된 베어링(20)에 의하여 축심(O)을 중심으로 하여 회전 가능하게 지지된다. 정익(13)은, 케이싱(11)의 내주부에 로터(12)의 축방향(A)으로 소정 간격을 두고 복수 고정된다. 로터(12)는, 외주부에 축방향(A)으로 소정 간격을 두고 복수의 로터 디스크(21)가 고정되어 있고, 동익(14)은, 각 로터 디스크(21)의 외주부에 복수 고정된다. 각 정익(13)과 각 동익(14)은, 로터(12)의 직경 방향(R)을 따름과 함께, 로터(12)의 둘레 방향으로 소정 간격을 두고 배치되고, 로터(12)의 축방향(A)을 따라 교대로 배치된다.
케이싱(11)은, 축방향(A)의 일단부 측에 증기 공급구(22)가 마련되고, 증기 공급구(22)는, 증기 통로(23)를 통하여 각 정익(13) 및 각 동익(14)이 배치되는 익렬부(翼列部)(24)에 연통된다. 이 익렬부(24)는, 배기실(25)을 통하여 증기 배출구(26)에 연통된다.
또, 로터(12)는, 축방향(A)의 각 단부와 케이싱(11)의 사이에 시일 부재(27)가 마련된다. 각 시일 부재(27)는, 각 베어링(20)보다 내부 측, 즉 정익(13) 및 동익(14) 측에 배치된다. 또한, 동익(14)에 있어서의 직경 방향(R)의 외측에 위치하는 선단부와, 케이싱(11)의 내주부와의 사이에 시일 장치(15)가 마련된다.
그 때문에, 증기(S)가 증기 공급구(22)로부터 증기 통로(23)를 통하여 익렬부(24)에 공급되면, 이 증기(S)가 복수의 정익(13) 및 복수의 동익(14)을 통과함으로써, 각 동익(14)을 개재하여 로터(12)가 구동 회전하여, 이 로터(12)에 연결된 도시하지 않은 발전기를 구동한다. 그 후, 동익(14)을 구동한 증기(S)는, 배기실(25)을 통하여 증기 배출구(26)로부터 배출된다.
여기에서, 상술한 증기 터빈(10)에 있어서의 케이싱(11)과 정익(13)과 동익(14)과 시일 장치(15)의 관계에 대하여 상세하게 설명한다. 도 1은, 본 실시형태의 회전 기계로서의 증기 터빈에 있어서의 시일 장치의 장착부를 나타내는 단면도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 시일 장치(15)는, 케이싱(11)과 동익(14)의 선단부와의 사이에 마련된다. 시일 장치(15)는, 이 케이싱(11)과 동익(14)의 선단부와의 사이를 로터(12)의 축방향(A)을 따라 고압 측(H)으로부터 저압 측(L)으로 흐르는 증기(유체)(S)의 흐름의 누출을 억제하는 것이다. 여기에서, 증기(S)는, 고압 측(H)으로부터 저압 측(L)으로 축방향(A)을 따르는 증기 흐름 방향(A1)을 따라 흐른다. 이때, 증기(S)는, 주류가 정익(13) 및 동익(14)을 통과하도록 흐르고, 일부가 케이싱(11)과 동익(14)의 선단부와의 사이의 시일 장치(15)로 흘러, 시일 장치(15)로부터 누출되는 누출 증기(S1)가 발생한다.
정익(13)은, 직경 방향(R)의 외측에 위치하는 기단부가 케이싱(11)의 내주부에 고정되는 한편, 동익(14)은, 직경 방향(R)의 내측에 위치하는 기단부가 로터(12)의 외주부에 고정된다. 즉, 케이싱(11)은, 내주부에 장착 오목부로서의 날개 장착홈(31)이 직경 방향(R)을 따름과 함께, 둘레 방향을 따라 연속하여 마련된다. 또, 케이싱(11)은, 내주부에 코킹 오목부로서의 코킹홈(32)이 직경 방향(R)을 따름과 함께, 둘레 방향을 따라 마련된다. 코킹홈(32)은, 날개 장착홈(31)보다 증기 흐름 방향(A1)의 상류 측에 날개 장착홈(31)과 인접한 위치에서, 서로 연통되어 마련된다.
날개 장착홈(31)은, 케이싱(11)의 내주면(11a)으로부터 직경 방향(R)으로 소정의 깊이를 갖고 형성된다. 코킹홈(32)은, 케이싱(11)의 내주면(11a)으로부터 직경 방향(R)으로 날개 장착홈(31)보다 얕은 소정의 깊이를 갖고 형성된다. 코킹홈(32)은, 케이싱(11)의 내주면(11a)에 개방되는 제1 홈(32a)과, 제1 홈(32a)에 연속되는 제2 홈(32b)과, 제2 홈(32b)에 연속하는 계지홈(32c)을 갖는다. 제1 홈(32a)에 있어서의 축방향(A)의 길이보다 제2 홈(32b)에 있어서의 축방향(A)의 길이가 짧으며, 제2 홈(32b)으로부터 증기 흐름 방향(A1)의 상류 측으로 직각으로 굴곡하여 계지홈(32c)이 형성된다.
정익(13)은, 직경 방향(R)의 외측에 위치하는 기단부로서의 익근부(翼根部)(13a)와, 익근부(13a)로부터 직경 방향(R)의 내측으로 연장하는 정익 본체(13b)를 갖는다. 또, 정익(13)은, 익근부(13a)에 계지 단차부(13c)가 형성된다. 코킹 부재(33)는, 정익(13)을 날개 장착홈(31)에 고정하는 것이다. 코킹 부재(33)는, 코킹홈(32)에 삽입 가능하며, 축방향(A)의 길이가 코킹홈(32)의 제1 홈(32a) 및 제2 홈(32b)보다 짧은 삽입부(33a)와, 삽입부(33a)로부터 증기 흐름 방향(A1)의 상류 측으로 직각으로 굴곡하는 계지부(33b)를 갖는다.
그 때문에, 정익(13)은, 익근부(13a)가 케이싱(11)의 날개 장착홈(31)에 삽입되고, 코킹 부재(33)는, 코킹홈(32)에 삽입된다. 이때, 코킹 부재(33)는, 선단부가 정익(13)의 익근부(13a)에 있어서의 계지 단차부(13c)에 계지되고, 계지부(33b)가 코킹홈(32)의 계지홈(32c)에 계지된다. 그러면, 코킹 부재(33)는, 계지부(33b)가 코킹홈(32)의 계지홈(32c)에 계지됨으로써, 탈락하지 않고, 정익(13)은, 계지 단차부(13c)가 코킹 부재(33)에 계지됨으로써, 탈락하지 않으며, 케이싱(11)에 고정된다. 또한, 코킹 부재(33)는, 도시하지 않은 압입 지그에 의하여 코킹홈(32)에 압입되고, 이때 계지부(33b)가 변형되면서 코킹홈(32)의 계지홈(32c)에 계지된다.
동익(14)은, 직경 방향(R)의 내측에 위치하는 기단부로서의 익근부(도시 생략)와, 익근부로부터 직경 방향(R)의 외측으로 연장하는 동익 본체(14a)와, 동익 본체(14a)에 있어서의 직경 방향(R)의 외측에 위치하는 선단부로서의 슈라우드(14b)를 갖는다. 동익(14)은, 익근부가 로터(12)(도 3 참조)의 외주부에 고정되고, 축방향(A)으로 소정 간격을 두고 배치되는 각 정익(13)의 사이에 배치된다.
시일 장치(15)는, 케이싱(11)의 내주부에 장착되는 시일 부재로서의 시일 링(41)을 갖고, 시일 링(41)과 동익(14)의 슈라우드(14b)에 의하여 구성된다. 케이싱(11)은, 내주부에 T자 형상을 이루는 시일 장착홈(42)이 형성된다. 시일 장착홈(42)은, 축방향(A)을 따르는 제1 홈(42a)과, 제1 홈(42a)이 케이싱(11)의 내주면(11a)에 개방되는 제2 홈(42b)과, 축방향(A)을 따르는 절결부(42c)를 갖는다. 절결부(42c)는, 축방향(A)의 일단부(증기 흐름 방향(A1)의 하류부)만이 정익(13) 측에 개구되어 있다. 이 시일 장착홈(42)은, 케이싱(11)의 둘레 방향으로 연속하여 마련된다.
시일 링(41)은, 장착부(41a)와, 연결부(41b)와, 시일부(41c)와, 복수(본 실시형태에서는, 3개)의 핀(41d, 41e)을 갖는다. 장착부(41a)는, 축방향(A)을 따르는 형상을 이루고, 연결부(41b)를 개재하여 시일부(41c)가 연결된다. 시일부(41c)는, 축방향(A)을 따르는 형상을 이루고, 양 단부가 각각 정익(13)을 향하여 연장된다. 복수의 핀(41d, 41e)은, 시일부(41c)로부터 동익(14) 측을 향하여 연장된다. 시일 링(41)은, 둘레 방향을 따른 링 형상을 이루며, 장착부(41a)가 케이싱(11)에 마련된 시일 장착홈(42)의 제1 홈(42a)에 끼워 맞춰지고, 연결부(41b)가 제2 홈(42b)에 끼워 맞춰지며, 시일부(41c)가 절결부(42c)에 끼워 맞춰진다. 3개의 핀(41d, 41e)은, 시일부(41c)의 축방향(A)으로 소정 간격을 두고 마련되고, 선단부가 동익(14)의 슈라우드(14b)에 대향하도록 연장한다. 또한, 핀(41d, 41e)의 수는, 상술한 것에 한정되는 것은 아니다.
동익(14)의 슈라우드(14b)는, 외주면에 볼록부(14d)가 마련된다. 볼록부(14d)는, 슈라우드(14b)에 있어서의 축방향(A)의 중간 위치에 마련된다. 시일 링(41)의 2개의 핀(41d)은, 선단부와 동익(14)의 슈라우드(14b)와의 사이에 미소(微少) 간극이 설정된다. 또, 시일 링(41)의 핀(41e)의 길이는, 핀(41d)의 길이보다 짧아, 선단부와 동익(14)의 볼록부(14d)와의 사이에 미소 간극이 설정된다. 이 경우, 시일 링(41)에 있어서의 시일부(41c)의 내면은, 축방향(A)을 따르는 평탄면(43)이며, 동익(14)에 있어서의 슈라우드(14b)의 외면은, 축방향(A)을 따르는 평탄면(44)이다. 시일 링(41)에 있어서의 시일부(41c)의 평탄면(43)은, 케이싱(11)의 내주면(11a)과 단차 없이 연속한다. 또한, 슈라우드(14b)의 볼록부(14d)를 제거하고, 시일 링(41)의 각 핀(41d, 41e)의 길이를 동일하게 해도 된다.
또, 시일 링(41)은, 코킹홈(32)의 적어도 일부를 피복한다. 시일 링(41)은, 시일부(41c)가 복수의 정익(13)의 사이에서 케이싱(11)의 절결부(42c)에 밀착하여 배치됨으로써, 시일 링(41)에 있어서의 증기(S)의 증기 흐름 방향(A1)의 하류 측의 단부가 코킹홈(32)의 제1 홈(32a)을 외측으로부터 피복한다.
이 경우, 시일 링(41)은, 축방향(A)에 있어서의 일단부만이 정익(13)의 익근부(13a)와 대향하고, 축방향(A)에 있어서의 일단부와 정익(13)의 익근부(13a)와의 사이에 소정 간극(G1)이 마련된다. 또, 시일 링(41)은, 타단부가 케이싱(11)의 절결부(42c)의 단면(端面)과 대향하고, 시일 링(41)의 타단부와 절결부(42c)의 단면과의 사이에 소정 간극(G2)이 마련된다. 이 소정 간극(G1, G2)의 크기는, 시일 링(41)의 장착성, 시일 링(41)이나 주변 부재의 열팽창량 등을 고려하여 설정된다. 또, 케이싱(11)의 내부에 증기(S)가 공급되면, 케이싱(11), 정익(13), 시일 링(41)이 가열되어 열팽창한다. 이때, 소정 간극(G1, G2)이 없으면, 시일 링(41)이 케이싱(11)이나 정익(13) 등에 접촉하여 변형되어, 시일 성능이 저하될 우려가 있다. 또한, 시일 링(41)은, 코킹홈(32)의 적어도 일부를 피복하면 되지만, 소정 간극(G1, G2)에 있어서의 축방향(A)의 치수는, 코킹홈(32)의 축방향 치수의 30% 이하로 설정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 예를 들면 0mm보다 크고 5mm 이하의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 시일 링(41)에 있어서의 시일부(41c)의 내면을 축방향(A)을 따르는 평탄면(43)으로 했지만, 이 형상에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 동익(14) 측으로 돌출되는 볼록 형상이나 볼록 만곡 형상으로 하거나, 케이싱(11) 측으로 오목한 오목 형상이나 오목 만곡 형상으로 하거나 해도 된다. 또, 시일 링(41)의 시일부(41c)에 있어서의 코킹홈(32)을 피복한 부분의 내면 형상을, 동익(14)(축심(O)) 측으로 경사 또는 만곡시킨 형상으로 해도 된다.
그 때문에, 증기(S)가 케이싱(11)의 내부에 공급되어 동익(14)이 회전할 때, 증기는, 고압 측(H)으로부터 저압 측(L)으로 증기 흐름 방향(A1)을 따라 흐른다. 이때, 증기(S)는, 주류가 정익(13) 및 동익(14)을 통과하도록 흐르고, 일부가 케이싱(11)과 동익(14)의 선단부와의 사이에 마련된 시일 장치(15)로 흐른다. 이 시일 장치(15)는, 증기(S)의 누출을 억제하지만, 일부가 누출되어 누출 증기(S1)가 발생한다. 시일 장치(15)로부터 누출된 누출 증기(S1)는, 시일 링(41)에 있어서의 시일부(41c)의 내면(평탄면(43))과 정익(13)의 익근부(13a)의 전면(前面)으로 안내되어 정익 본체(13b) 측으로 흘러, 증기(S)의 주류와 합류한다. 여기에서, 케이싱(11)의 내주부에 형성된 코킹홈(32)이 시일 링(41)의 시일부(41c)에 피복되어 있는 점에서, 누출 증기(S1)는, 코킹홈(32)의 영향을 받아 세로로 긴 와류를 형성하지 않는다. 그 결과, 증기(S)의 주류에 대한 누출 증기(S1)의 합류 각도(θ)가 작아져, 누출 증기(S1)는, 원활하게 증기(S)의 주류에 합류하게 된다.
또한, 상술한 설명에서는, 복수의 정익(13)의 사이의 모든 영역에 시일 링(41)을 마련했지만, 이 구성에 한정되는 것은 아니다. 도 2는, 본 실시형태의 증기 터빈에 있어서의 변형예의 시일 장치의 장착부를 나타내는 단면도이다.
본 실시형태의 회전 기계의 변형예에 있어서, 도 2에 나타내는 바와 같이, 시일 장치(50)는, 케이싱(11)의 내주부와 동익(14)의 선단부와의 사이에 마련된다. 케이싱(11)은, 내주부에 날개 장착홈(31)이 마련됨과 함께, 코킹홈(32)이 마련된다. 정익(13)은, 익근부(13a)와 정익 본체(13b)를 갖고, 익근부(13a)에 계지 단차부(13c)가 형성된다. 코킹 부재(33)는, 정익(13)을 날개 장착홈(31)에 장착하는 것이다. 그 때문에, 정익(13)은, 익근부(13a)가 케이싱(11)의 날개 장착홈(31)에 삽입되고, 코킹 부재(33)가 코킹홈(32)에 삽입됨으로써, 케이싱(11)에 고정된다.
동익(14)은, 익근부(도시 생략)와, 동익 본체(14a)와, 슈라우드(14b)를 갖는다. 시일 장치(50)는, 케이싱(11)의 내주부에 장착되는 시일 부재로서의 시일 링(51)을 갖고, 시일 링(51)과 동익(14)의 슈라우드(14b)에 의하여 구성된다. 케이싱(11)은, 내주부에 T자 형상을 이루는 시일 장착홈(52)이 형성된다. 시일 장착홈(52)은, 축방향(A)을 따르는 제1 홈(52a)과, 제1 홈(52a)이 케이싱(11)의 내주면(11a)에 개방되는 제2 홈(52b)을 갖는다. 시일 장착홈(52)은, 케이싱(11)의 둘레 방향으로 연속하여 마련된다.
시일 링(51)은, 장착부(51a)와, 연결부(51b)와, 시일부(51c)와, 복수(본 실시형태에서는, 2개)의 핀(51d)을 갖는다. 장착부(51a)는, 축방향(A)을 따르는 형상을 이루고, 연결부(51b)를 개재하여 시일부(51c)가 연결된다. 시일부(51c)는, 축방향(A)을 따르는 형상을 이루고, 양 단부가 각각 정익(13)을 향하여 연장된다. 복수의 핀(51d)은, 시일부(51c)로부터 동익(14) 측을 향하여 연장된다. 시일 링(51)은, 둘레 방향을 따른 링 형상을 이루며, 장착부(51a)가 케이싱(11)에 마련된 시일 장착홈(52)의 제1 홈(52a)에 끼워 맞춰지고, 연결부(51b)가 제2 홈(52b)에 끼워 맞춰진다. 시일 링(51)은, 시일부(51c)가 축방향(A)으로 소정 간격을 두고 배치된 정익(13)의 사이에서, 케이싱(11)의 내주면(11a)에 배치된다. 2개의 핀(51d)은, 시일부(51c)의 축방향(A)으로 소정 간격을 두고 마련되고, 선단부가 동익(14)의 슈라우드(14b)에 대향하도록 연장한다. 또한, 핀(51d)의 수는, 상술한 것에 한정되는 것은 아니다.
동익(14)의 슈라우드(14b)는, 외주면에 핀(14c)이 마련된다. 핀(14c)은, 시일 링(51)의 2개의 핀(51d)의 중간 위치에 마련되고, 선단부가 시일부(51c)에 대향하도록 연장한다. 시일 링(51)의 각 핀(51d)은, 선단부와 동익(14)의 슈라우드(14b)와의 사이에 미소 간극이 설정된다. 또, 동익(14)의 핀(14c)은, 시일 링(51)의 시일부(51c)와의 사이에 미소 간극이 설정된다. 이 경우, 시일 링(51)에 있어서의 시일부(51c)의 내면은, 축방향(A)을 따르는 평탄면(53)이며, 동익(14)에 있어서의 슈라우드(14b)의 외면은, 축방향(A)을 따르는 평탄면(54)이다. 본 실시형태의 시일 장치(50)는, 래버린스 시일이며, 시일 링(51)의 각 핀(51d)과 슈라우드(14b)의 미소 간극과, 동익(14)의 핀(14c)과 시일부(51c)의 미소 간극에 의하여 증기(S)의 압력 손실을 발생시키고, 이 압력 손실에 의하여 축방향(A)에 있어서의 증기(S)의 누출 흐름을 억제한다.
또, 시일 링(51)은, 코킹홈(32)의 적어도 일부를 피복한다. 시일 링(51)은, 시일부(51c)가 복수의 정익(13)의 사이에서 케이싱(11)의 내주면(11a)에 배치됨으로써, 시일 링(51)에 있어서의 증기(S)의 증기 흐름 방향(A1)의 하류 측의 단부가 코킹홈(32)의 제1 홈(32a)을 외측으로부터 피복한다.
이 경우, 시일 링(51)은, 축방향(A)에 있어서의 양 단부가 정익(13)의 익근부(13a)와 대향하고, 시일 링(51)의 단부와 정익(13)의 익근부(13a)와의 사이에 소정 간극(G1, G2)이 마련된다. 이 소정 간극(G1, G2)의 크기는, 시일 링(51)의 장착성, 시일 링(51)이나 주변 부재의 열팽창량 등을 고려하여 설정된다.
또한, 본 실시형태의 변형예의 작용은, 본 실시형태와 대략 동일한 점에서, 설명은 생략한다.
여기에서, 본 실시형태의 시일 링(시일 부재)(41)에 있어서의 구체적인 구성에 대하여 설명한다. 도 4는, 본 실시형태의 시일 부재의 구성을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 시일 부재로서의 시일 링(41)은, 케이싱(11)의 내주부와 동익(14)의 선단부와의 사이에 배치된다. 시일 링(41)은, 케이싱(11)의 내주부에 장착되는 장착부(41a)와, 장착부(41a)의 직경 방향 내방에 마련되는 시일부(41c)와, 시일부(41c)로부터 직경 방향 내방으로 돌출되어 증기(S)의 흐름 방향으로 소정 간격을 두고 마련되는 복수의 핀(41d, 41e)을 구비한다.
본 실시형태에서는, 핀(41d, 41e)은, 3개 마련되고, 시일부(41c)의 상류단(도 4의 좌단) 측에 마련되는 최상류핀(41d-1)과, 시일부(41c)의 하류단(도 4의 우단) 측에 마련되는 최하류핀(41d-2)과, 최상류핀(41d-1)과 최하류핀(41d-2)의 사이에 있는 핀(41e)으로 구성된다. 그리고, 최상류핀(41d-1)과 최하류핀(41d-2)과의 제1 거리를 D1로 하고, 최하류핀(41d-2)과 시일부(41c)의 하류단과의 제2 거리를 D2로 하면,
D1×0.5<D2
로 설정된다.
또, 시일부(41c)의 상류단과 최상류핀(41d-1)과의 제3 거리를 D3으로 하면,
D3<D2
로 설정된다.
또한, 이 D1, D2, D3은, 최상류핀(41d-1)이나 최하류핀(41d-2)에 있어서의 증기(S)의 흐름 방향의 중심 위치로부터의 길이이다.
또, 시일 링(41)의 시일부(41c)가 케이싱(11)의 내주부에 장착된 조립 상태에서, 시일부(41c)는, 동익(14)(슈라우드(14b))의 하류단(14e)으로부터 하류로 뻗는 돌출부(41f)를 갖는다. 돌출부(41f)는, 조립 상태에서 직경 방향 외방에 캐비티로서의 코킹홈(32)이 마련된다. 시일부(41c)는, 돌출부(41f)보다 상류에만 복수의 핀(41d(41d-1, 41d-2), 41e)이 마련된다.
이와 같이 본 실시형태의 회전 기계에 있어서는, 중공 형상을 이루는 케이싱(11)과, 케이싱(11) 내에 회전 가능하게 지지되는 로터(12)와, 케이싱(11)의 내주부에 고정되는 정익(13)과, 로터(12)의 외주부에 정익(13)에 대하여 로터(12)의 축방향(A)으로 어긋나게 고정되는 동익(14)과, 케이싱(11)의 내주부와 동익(14)의 선단부와의 사이에 배치되는 시일 장치(15, 50)를 구비하고, 케이싱(11)의 내주부에 날개 장착홈(31)을 마련함과 함께, 날개 장착홈(31)에 인접하여 코킹홈(32)을 마련하며, 정익(13)의 기단부를 날개 장착홈(31)에 장착하고, 코킹 부재(33)를 코킹홈(32) 및 정익(13)의 익근부(13a)에 계지됨으로써 케이싱(11)의 내주부에 정익(13)을 고정하며, 시일 장치(15, 50)로서 케이싱(11)의 내주부에 시일 링(41, 51)을 장착하고, 시일 링(41, 51)에 의하여 코킹홈(32)의 적어도 일부를 피복한다.
따라서, 시일 장치(15, 50)로부터 누출된 누출 증기(S1)는, 정익(13)과 동익(14)을 통과한 증기(S)의 주류에 합류할 때, 코킹홈(32)이 시일 링(41, 51)에 의하여 피복되어 있는 점에서, 누출 증기(S1)가 코킹홈(32)의 영향을 받아 세로로 긴 와류를 형성하지 않고, 원활하게 증기(S)의 주류에 합류한다. 그 결과, 증기(S)의 주류에 대하여 시일 장치(15, 50)로부터의 누출 증기(S1)를 원활하게 합류시킴으로써, 이 합류부에서의 혼합 손실을 저감시켜 익렬 효율이 개선되어, 증기 터빈(10)의 성능의 향상을 도모할 수 있다.
본 실시형태의 회전 기계에서는, 코킹홈(32)을 날개 장착홈(31)보다 증기 흐름 방향(A1)의 상류 측에 마련하고, 시일 링(41, 51)에 있어서의 증기 흐름 방향(A1)의 하류 측의 단부에 의하여 코킹홈(32)을 피복한다. 따라서, 간단한 구조로 시일 링(41, 51)에 의하여 적정하게 코킹홈(32)을 피복할 수 있다.
본 실시형태의 회전 기계에서는, 시일 링(41, 51)에 있어서의 증기 흐름 방향(A1)의 단부와, 정익(13)의 사이에 소정 간극(G1)을 마련한다. 따라서, 케이싱이나 정익(13)이나 시일 링(41, 51)이 열팽창해도, 소정 간극(G1)에 의하여 시일 링(41, 51)이 다른 부재에 간섭하는 것이 억제되어, 시일 링(41, 51)의 변형을 억제할 수 있다.
본 실시형태의 회전 기계에서는, 시일 링(41, 51)에 의하여 로터(12)의 축방향(A)을 따르는 평탄면(43, 53)을 마련하고 있다. 따라서, 시일 장치(15, 50)로부터 누출되는 누출 증기(S1)를 평탄면(43, 53)으로 보다 매끄럽게 흐르게 함으로써, 증기(S)의 주류에 대하여 이 누출 증기(S1)를 원활하게 합류시킬 수 있다.
본 실시형태의 회전 기계에서는, 시일 링(41)의 평탄면(43)이 케이싱(11)의 내주면(11a)과 단차 없이 연속된다. 따라서, 시일 장치(15)에 도입되는 증기(S)나 시일 장치(15)로부터 누출되는 누출 증기(S1)를 평탄면(43)과 내주면(11a)으로 보다 매끄럽게 흐르게 함으로써, 증기(S)의 주류에 대하여 이 누출 증기(S1)를 원활하게 합류시킬 수 있다.
또한, 상술한 실시형태에서는, 시일 장치를 래버린스 시일로 했지만, 다른 비접촉식 시일이어도 된다.
또, 상술한 실시형태에서는, 본 발명의 회전 기계를 증기 터빈(10)에 적용했지만, 증기 터빈에 한정되지 않고, 압축기나 배기 터빈 등, 작동 시에 내부의 압력이 외부의 압력보다 높아지는 회전 기계에 적용할 수 있다.
10 증기 터빈(회전 기계)
11 케이싱
11a 내주면
12 로터
13 정익
13a 익근부
13b 정익 본체
13c 계지 단차부
14 동익
14a 동익 본체
14b 슈라우드
14c 핀
14d 볼록부
14e 하류단
15, 50 시일 장치
20 베어링
21 로터 디스크
22 증기 공급구
23 증기 통로
24 익렬부
25 배기실
26 증기 배출구
27 시일 부재
31 날개 장착홈(장착 오목부)
32 코킹홈(코킹 오목부)
32a 제1 홈
32b 제2 홈
32c 계지홈
33 코킹 부재
33a 삽입부
33b 계지부
41, 51 시일 링(시일 부재)
41a, 51a 장착부
41b, 51b 연결부
41c, 51c 시일부
41d, 51d 핀
41d-1 최상류핀
41d-2 최하류핀
41f 돌출부
42 시일 장착홈
42a, 52a 제1 홈
42b, 52b 제2 홈
42c 절결부
43, 44, 53, 54 평탄면
A 축방향
A1 증기 흐름 방향
R 직경 방향
G1, G2 소정 간극
S 증기(유체)
S1 누출 증기
D1 제1 거리
D2 제2 거리
D3 제3 거리

Claims (10)

  1. 중공 형상을 이루는 케이싱과,
    상기 케이싱 내에 회전 가능하게 지지되는 로터와,
    상기 케이싱의 내주부에 고정되는 정익과,
    상기 로터의 외주부에 상기 정익에 대하여 상기 로터의 축방향으로 어긋나게 고정되는 동익과,
    상기 케이싱의 내주부와 상기 동익의 선단부와의 사이에 배치되는 시일 장치를 구비하고,
    상기 케이싱은, 내주부에 장착 오목부가 마련됨과 함께, 상기 장착 오목부에 인접하여 코킹 오목부가 마련되며,
    상기 정익은, 기단부가 상기 장착 오목부에 장착되고, 코킹 부재가 상기 코킹 오목부 및 상기 정익의 기단부에 계지됨으로써 상기 케이싱의 내주부에 고정되며,
    상기 시일 장치는, 상기 케이싱의 내주부에 장착되는 시일 부재를 갖고, 상기 시일 부재는, 상기 코킹 오목부가 적어도 일부를 피복하는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 코킹 오목부는, 상기 장착 오목부보다 유체의 흐름 방향의 상류 측에 마련되고, 상기 시일 부재에 있어서의 유체의 흐름 방향의 하류 측의 단부가 상기 코킹 오목부를 피복하는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 시일 부재에 있어서의 유체의 흐름 방향의 단부와, 상기 정익의 사이에 소정 간극이 마련되는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
  4. 청구항 3에 있어서,
    복수 단의 상기 정익의 사이에 상기 시일 부재에 의하여 상기 로터의 축방향을 따르는 평탄면이 마련되는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 시일 부재의 평탄면은, 상기 케이싱의 내주면과 단차 없이 연속되는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
  6. 케이싱의 내주부와 동익의 선단부와의 사이에 배치되는 시일 부재로서,
    상기 케이싱의 내주부에 장착되는 장착부와,
    상기 장착부의 직경 방향 내방에 마련되는 시일부와,
    상기 시일부로부터 직경 방향 내방으로 돌출되어 유체의 흐름 방향으로 소정 간격을 두고 마련되는 복수의 핀을 구비하며,
    상기 복수의 핀 중의 최상류핀과 최하류핀과의 거리를 D1로 하고, 상기 최하류핀과 상기 시일부의 하류단과의 거리를 D2로 하면,
    D1×0.5<D2
    인 것을 특징으로 하는 시일 부재.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 시일부의 상류단과 상기 최상류핀과의 거리를 D3으로 하면,
    D3<D2
    인 것을 특징으로 하는 시일 부재.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 시일부는, 케이싱의 내주부에 장착된 조립 상태에서, 상기 동익의 하류단으로부터 하류로 뻗는 돌출부를 갖는 것을 특징으로 하는 시일 부재.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 돌출부는, 상기 조립 상태에서 직경 방향 외방에 캐비티가 마련되는 것을 특징으로 하는 시일 부재.
  10. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 시일부는, 상기 돌출부보다 상류에만 상기 복수의 핀이 마련되는 것을 특징으로 하는 시일 부재.
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