(57)【要約】  本発明は、多段に連結される複数のノズル回転体の回転駆動力を伝達するタービン軸に作用できる不要な軸力を低減し、各ノズル回転体から吐出された作動流体がノズル回全体の抵抗体として作用することを防止することができる蒸気タービンに関する。本発明の蒸気タービンは、ハウジング（１１０）と；前記ハウジング（１１０）内で回動自在に支持されるタービン軸（１２０）と；前記タービン軸（１２０）と一体に結合され、作動流体が噴射されながら回転するように少なくとも１つのノズル孔（１３２）を有し、前記タービン軸（１２０）の軸方向に沿って積層される複数のディスク形状のノズル回転体（１３０）と；前記ノズル回転体（１３０）の作動流体の流れ方向の後端側に位置し、前記ハウジング（１１０）に固定されて作動流体の流れをガイドするガイドパネル（１４０）と；を含んでなる。【選択図】図５
2018523049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
前記ハウジング内で回動自在に支持されるタービン軸と、
前記タービン軸と一体に結合され、作動流体が噴射されながら回転するように少なくとも１つのノズル孔を有し、前記タービン軸の軸方向に沿って積層される複数のディスク形状のノズル回転体と、
前記ノズル回転体の作動流体の流れ方向の後端側に位置し、前記ハウジングに固定されて作動流体の流れをガイドするガイドパネルと、を含んでなる、蒸気タービン。
【請求項２】
前記ガイドパネルは、
タービン軸が貫通して位置するように軸孔が形成されたパネルボディと、
前記パネルボディの縁部に突設され、前記ハウジングの内側に固定される固定突起と、を含む、請求項１に記載の蒸気タービン。
【請求項３】
前記パネルボディは、作動流体の流れ方向の前端に位置するノズル回転体の直径と同じかそれより小さいことを特徴とする、請求項２に記載の蒸気タービン。
【請求項４】
前記ガイドパネルは、互いに隣接する二つのノズル回転体のうち、作動流体の流れ方向の前端に位置するノズル回転体とさらに隣接して配置されることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンに関し、特に、多段に連結される複数のノズル回転体の回転駆動力を伝達するタービン軸に作用できる不要な軸力を低減し、各ノズル回転体から吐出された作動流体がノズル回転体の抵抗体として作用することを防止することができる蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
反動型蒸気タービンは、排出される蒸気エネルギーの反作用によって回転エネルギーを得るため構造が簡単でありながらも高い熱効率を得ることができるので、中小容量の原動機として適する。
【０００３】
例えば、韓国公開特許第１０−２０１２−４７７０９号（公開日：２０１２年５月１４日）、韓国公開特許第１０−２０１３−４２２５０号（公開日：２０１３年４月２６日）及び韓国登録特許第１０−１２２９５７５号（登録日：２０１３年１月２９日）では、反動型タービン装置を開示している。
【０００４】
図１は従来技術に係る反動型蒸気タービンの一部を切開して示す構成図である。
【０００５】
図１を参考すると、蒸気タービンは、タービン軸１０と一緒に接線方向に作動流体の噴射が行われる多数のノズル回転体２０と、ノズル回転体２０を回動自在に支持し、作動流体によってノズル回転体２０を回転駆動するように作動流体の流路を提供するハウジング３０とを含んでなる。
【０００６】
多数のノズル回転体２０は、タービン軸１０に沿って互いに離隔して多段に構成され、それぞれのノズル回転体２０は、一対のディスクからなり、一側の軸方向に作動流体が流入する流入孔と、一対のディスクの内部に形成された排気流路に沿って接線方向に作動流体の噴射が行われるように設けられる多数のノズル孔とを有する。
【０００７】
ハウジング３０は、略円筒状の胴体部３１と、作動流体が流入するように胴体部３１の一側に設けられる流入部３２と、流入部３２の他側に位置し、作動流体の排気が行われるように胴体部３１に設けられる排気部３３と、胴体部３１の内周面に設けられ、それぞれのノズル回転体２０同士の間に位置する隔壁部３４とを有する。
【０００８】
ハウジング３０は、タービン軸１０を回動支持する軸受３５が設けられる。
【０００９】
図２は従来技術の蒸気タービンの断面構成図である。図２を参照すると、右側に流入した作動流体（蒸気）は、各ノズル回転体２０の中央に流入し、ノズル回転体２０の外周面の接線方向に設けられたノズル孔から吐出された後、次段のノズル回転体に流入して各段のノズル回転体２０を回転させる。
【００１０】
このように構成された反動型蒸気タービンは、ノズル回転体の内部に流入した作動流体をノズル孔を介して加速して外部へ噴射することにより、その反作用力によってノズル回転体の回転力を得るものである。その性能を極大化するためには、ノズル孔及びノズル回転体の内部を作動流体の流入条件と所望の流出条件に合わせて最適の形態に設計しなければならず、特に作動流体の熱／流動エネルギーを最大に回収するためには、ノズル回転体のノズルは圧縮性流動の支配方程式を用いて出口端速度が超音速に近接するように設計しなければならない。
【００１１】
一方、このような条件を満たすように最適化されたノズル回転体は、その結果、ノズル回転体の内部と外部との圧力差が大きく、この圧力差により、タービン軸に強い単一方向への軸力が発生する。
【００１２】
このような軸力の発生は、軸受の機械的負荷を増加させるため、性能および寿命低下の原因になることもあり、タービンの性能低下と頻繁なメンテナンスのため、運用コストの増加を引き起こすこともある。また、図３に例示しているように、ノズル回転体２０から排出された作動流体は、反動型蒸気タービンの特性上、ノズル回転体の回転方向Ａと作動流体の流れ方向Ｂとが互いに反対なので、ノズル回転体の後端から排出された高速の作動流体がノズル回転体２０と直接接触すると、ノズル回転体２０の回転を妨げ、結果としてノズル回転体２０の抵抗体として作用する。
【００１３】
図４は従来技術に係る蒸気タービンの軸力作動を説明するための断面構成図である。
図４で作動流体の各流路地点における静圧（Ｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ、Ｐｓ）をおおよそ比較すると、Ｐｓ１＞Ｐｓ２＞Ｐｓ４≒Ｐｓ５＞＞Ｐｓ７＞Ｐｓ８＞＞Ｐｓ６≒Ｐｓ３の順となる。
【００１４】
ノズル回転体２０の内部における作動流体の圧力は、全的に流動摩擦によってのみ減少するため、ノズル回転体２０の内部における各地点別の圧力差は、相対的に変化が少ない。インレット２０ａからノズル孔２０ｂへ移動する間に、摩擦によって若干の静圧損失が発生する。一方、ノズル孔２０ｂを経た作動流体は、速度が速くなりながら急激な圧力低下現象が現れ（６番地点）、ノズル回転体２０の外郭で移動する間に流体速度が減少しながら圧力が一定部分回復する（７番、８番地点）。最後に、３番地点では流動が停滞している状態なので、６番と３番地点の静圧はほぼ同様の状況であると見られる。このようなノズル回転体２０の内部／外部における流体圧力分布が形成される場合、ノズル回転体２０の壁面ｚ１、ｚ２、ｚ３から発生する力の分布Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３は、下記数式１のとおり、各地点別の圧力差とノズル回転体の壁面の面積で表わされる。
【００１５】
［数式１］
Ｆ１＝（Ｐｓ２−Ｐｓ８）×Ａ＿ｚ１、
Ｆ２＝（Ｐｓ５−Ｐｓ７）×Ａ＿ｚ２、
Ｆ３＝（Ｐｓ４−Ｐｓ３）×Ａ＿ｚ３、
式中、Ａは各壁面ｚ１、ｚ２、ｚ３の面積である。
また、一つのノズル回転体２１全体に現れる力Ｆｔは、下記数式２で表わされる。
【００１６】
［数式２］
Ｆｔ＝Ｆ３−Ｆ１−Ｆ２
このように表わされた数式において、各地点別の圧力差が均一ではなく、ノズル回転体の壁面の面積も差が発生するため、ノズル回転体２０全体に発生する力Ｆｔは「０」にならず、このように各ノズル回転体から発生した力はタービン軸１０に伝達されて単一方向の軸力として現れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】韓国公開特許公報第１０−２０１２−００４７７０９号（公開日：２０１２年５月１４日）
【特許文献２】韓国公開特許公報第１０−２０１３−００４２２５０号（公開日：２０１３年４月２６日）
【特許文献３】韓国登録特許公報第１０−１２２９５７５号（登録日：２０１３年１月２９日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、かかる従来技術の問題点を解決するためのもので、その目的は、多段に連結される複数のノズル回転体の回転駆動力を伝達するタービン軸に作用しうる不要な軸力を低減し、各ノズル回転体から吐出された作動流体がノズル回転体の抵抗体として作用することを防止することができる蒸気タービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の目的を達成するための本発明に係る蒸気タービンは、ハウジングと；前記ハウジング内で回動自在に支持されるタービン軸と；前記タービン軸と一体に結合され、作動流体が噴射されながら回転するように少なくとも１つのノズル孔を有し、前記タービン軸の軸方向に沿って積層される複数のディスク形状のノズル回転体と；前記ノズル回転体それぞれの作動流体の流れ方向の後端側に位置し、前記ハウジングに固定されて作動流体の流れをガイドするガイドパネルと；を含んでなる。
【００２０】
好ましくは、前記ガイドパネルは、タービン軸が貫通して位置するように軸孔が形成されたパネルボディと、前記パネルボディの縁部に突設され、前記ハウジングの内側に固定される固定突起とを含む。
【００２１】
より好ましくは、前記パネルボディは、作動流体の流れ方向の前端に位置するノズル回転体の直径と同じかそれより小さいことを特徴とする。
【００２２】
好ましくは、前記ガイドパネルは、互いに隣接する二つのノズル回転体のうち、作動流体の流れ方向の前端に位置するノズル回転体とさらに隣接して配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る蒸気タービンは、多段に構成された複数のノズル回転体の各後端にガイドパネルを備えて、噴射された作動流体が当該ノズル回転体と接触して発生しうる摩擦損失を最小限に抑えることにより、タービン軸の軸方向の負荷を軽減させて応力発生による振動／疲労の問題を最小限に抑え、軸受（ｂｅａｒｉｎｇ）要素の寿命を延長することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来技術に係る蒸気タービンの一部を切開した構成図である。
【図２】従来技術の蒸気タービンの一部の断面構成図である。
【図３】従来技術に係る蒸気タービンのノズル回転体と作動流体の作動流れを示す図である。
【図４】従来技術に係る蒸気タービンの軸力作動を説明するための断面構成図である。
【図５】本発明に係る蒸気タービンの要部構成を示す断面構成図である。
【図６】本発明のガイドパネルの平面構成図である。
【図７】本発明に係る蒸気タービンの出力作動を説明するための断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の実施形態に提示される特定の構造的または機能的説明は単に本発明の概念による実施形態を説明するために例示されたものに過ぎず、本発明の概念による実施形態は様々な形態で実施できる。本明細書に説明された実施形態に限定されるものと解釈されてはならず、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更物、均等物ないし代替物を含むと理解されるべきである。
【００２６】
一方、本発明において、「第１」および／または「第２」等の用語は多様な構成要素の説明に使用できるが、これらの構成要素はこれらの用語によって限定されない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみで使われる。例えば、本発明の概念による権利範囲から逸脱することなく、第１構成要素は第２構成要素と命名でき、同様に第２構成要素も第１構成要素とも命名できる。
【００２７】
ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いる、或いは「接続されて」いると記載された場合には、該他の構成要素に直接連結または接続されていることもあるが、それらの間に別の構成要素が介在することもあると理解されるべきである。一方、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いる、或いは「直接接続されて」いると記載された場合には、それらの間に別の構成要素が介在しないと理解されるべきである。構成要素間の関係を説明する他の表現、すなわち「〜間に」と「すぐに〜間に」または「〜に隣り合う」と「〜に直接隣り合う」等も同様に解釈されるべきである。
【００２８】
本明細書で使用する用語は、単に特定の実施形態を説明するためのもので、本発明を限定するものではない。単数の表現は、文脈上明白に異なる意味ではない限り、複数の表現を含む。本明細書において、「含む」または「有する」などの用語は実施された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらの組み合わせが存在することを指定しようとするもので、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらの組み合わせの存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解されるべきである。
【００２９】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３０】
図５は本発明に係る蒸気タービンの要部構成図であって、理解を助けるために、作動流体は、右側から流入して各ノズル回転体を経由した後、左側に排気されるものと説明する。
【００３１】
図５に示すように、本発明の蒸気タービンは、ハウジング１１０と、ハウジング１１０内で回動自在に支持されるタービン軸１２０と、タービン軸１２０と一体に結合され、作動流体が噴射されながら回転するように少なくとも１つのノズル孔１３２を有し、タービン軸１２０の軸方向に沿って積層される複数のディスク形状のノズル回転体１３０と、ノズル回転体１３０の作動流体の流れ方向の後端側に位置し、ハウジング１１０に固定されて作動流体の流れをガイドするガイドパネル１４０とを含んでなる。
【００３２】
ハウジング１１０は、タービンの外観を構成する胴体部１１１と、胴体部１１１から一体に内方に拡張され、各ノズル回転体１３０を区画する隔壁部１１２とを含み、各ノズル回転体１３０から吐出された作動流体は、隔壁部１１２に沿って次段のノズル回転体の中央へ作動流体の流れを誘導する。図示してはいないが、タービン軸１２０は、軸受によってハウジング１１０内で回動自在に支持される。
【００３３】
ノズル回転体１３０は、外周面にノズル孔１３２が設けられ、本実施形態において、ノズル孔１３２は外周面の法線方向ｎに形成されると例示しているが、タービン軸１２０の軸方向に対して作動流体の流れ方向に傾斜をもって形成されることも可能である。
【００３４】
ガイドパネル１４０は、各ノズル回転体１３０の作動流体の流れ方向の後端側に位置し、ハウジング１１０に固定されて作動流体の流れをガイドする。
【００３５】
具体的に、図６を参照すると、ガイドパネル１４０は、タービン軸が貫通して位置するように軸孔１４１ａが形成されたパネルボディ１４１と、パネルボディ１４１の縁部に突設され、ハウジング１１０の内側に固定される固定突起１４２とを含む。
【００３６】
パネルボディ１４１は、円形のディスク形状をし、中央に軸孔１４１ａを有し、軸孔１４１ａ内にタービン軸１２０が貫通して位置する。
【００３７】
好ましくは、パネルボディ１４１の直径２ｒは、作動流体の流れ方向の前端に位置するノズル回転体と少なくとも同じかそれより小さいことを特徴とする。
【００３８】
パネルボディ１４１の大きさは、前端に位置するノズル回転体との離隔距離などを考慮して決定でき、ノズル回転体から噴射された作動流体は、後端側に位置するガイドパネル１４０によって次段のノズル回転体へ移動するため、当該ノズル回転体の抵抗として作用しない。
【００３９】
固定突起１４２は、パネルボディ１４１の縁部に放射状に突設され、ハウジング１１０の内周面に固定される。固定突起１４２は、ハウジングとの溶接によって固定でき、或いは固定突起が嵌合されるようにハウジングに凹溝が形成されて嵌合によって固定できる。
【００４０】
図７は本発明に係る蒸気タービンの出力作動を説明するための断面構成図である。
【００４１】
図７に示すように、本発明のガイドパネル１４０は、互いに隣接する二つのノズル回転体のうち、作動流体の流れ方向の前端に位置するノズル回転体とさらに隣接（ｄ１＜ｄ２）するように配置することにより、ノズル回転体１３０から噴射された殆どの作動流体は、隔壁部１１２とガイドパネル１４０との間の空間へ移動して当該ノズル回転体１３０との流動による摩擦損失を減少させることができる。
【００４２】
図７を参照すると、ノズル回転体１３０の壁面に影響を与える流路地点は、１、２、３、４、５、７、９番地点であり、殆どの作動流体が通過する８、１０番地点の流体静圧は、ハウジング１１０に固定されたガイドパネル１４０によりノズル回転体１３０とは関係なくなる。
【００４３】
また、ガイドパネル１４０の設置位置（ノズル回転体との離隔距離）に応じて、ノズル回転体１３０とガイドパネル１４０との間の空間へ流入する作動流体の量を適切に調節することができる。したがって、ノズル回転体１３０の推力方向と大きさ（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３の合力Ｆｔ）を計算して、タービン軸１２０の推力を最小化することができる位置にガイドパネル１４０を固定設置する。
【００４４】
また、本発明は、ノズル回転体１３０から噴射された作動流体が当該ノズル回転体１３０との接触を遮断して流動による摩擦損失を最小限に抑えることにより、タービン軸に不要な軸力負荷を軽減して、タービン軸を支持する軸受要素の軸方向の負荷を低減させ、軸受要素の機械的損失による寿命短縮を最小限に抑えることができる。
【００４５】
一方、多段に構成されるノズル回転体の作動流体の噴出力は、実質的には互いに同一ではない。よって、これを反映して、各ノズル回転体の後端側に配置されるガイドパネルとノズル回転体との離隔距離は各ノズル回転体の噴出力に応じて互いに異なり得る。
【００４６】
以上で説明した本発明は、前述した実施形態及び添付図面によって限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱することなく様々な置換、変形及び変更を加え得ることは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明らかであろう。
【符号の説明】
【００４７】
１１０    ハウジング
１２０    タービン軸
１３０    ノズル回転体
１３１    インレット
１３２    ノズル孔
１４０    ガイドパネル
【図１】
2018523049.tif 000003
【図２】
2018523049.tif 000004
【図３】
2018523049.tif 000005
【図４】
2018523049.tif 000006
【図５】
2018523049.tif 000007
【図６】
2018523049.tif 000008
【図７】
2018523049.tif 000009
【国際調査報告】
2018523049.tif 000010
2018523049.tif 000011
2018523049.tif 000012
2018523049.tif 000013