[发明专利]反作用式蒸汽涡轮

说明书

技术领域

本发明涉及蒸汽涡轮，更具体地涉及一种蒸汽涡轮，其减少可作用于传递多级连接的多个喷嘴旋转体的旋转驱动力的涡轮轴上的不必要的轴力，可防止从各喷嘴旋转体排出的工作流体形成对喷嘴旋转体的阻力。

背景技术

反作用式蒸汽涡轮通过排出的蒸汽能的反作用来获得旋转能，从而结构简单且可获得高热效率，适合用作中小容量的原动机。

例如，韩国公开专利第10-2012-47709号(公开日期：2012.05.14)、韩国公开专利第10-2013-42250号(公开日期：2013.04.26)以及韩国公开专利第10-1229575号(注册日期：2013.01.29)公开了反作用式涡轮装置。

图1是示出现有技术中反作用式蒸汽涡轮局部剖视图。

参照图1，蒸汽涡轮包括多个喷嘴旋转体20和机壳30，其中，多个喷嘴旋转体20用于与涡轮轴10一起沿切线方向喷射工作流体，机壳30用于可旋转地支撑喷嘴旋转体20，并且用于提供旋转驱动喷嘴旋转体20的工作流体的流路。

多个喷嘴旋转体20沿涡轮轴10彼此间隔以多级方式配置，每个喷嘴旋转体20由一对盘构成，在一侧轴向具有供工作流体流入的流入孔和使得工作流体沿形成在一对盘内部的排气通道沿切线方向喷射的多个喷嘴孔。

机壳30具有大致圆柱形的主体部31、形成在主体部31的一侧以使工作流体流入的流入部32、位于流入部32的另一侧且设在主体部31用于实现工作流体的排气的排气部33以及在主体部31内周面位于各个喷嘴旋转体20之间的隔壁部34。

机壳30上设有转动支撑涡轮轴10的轴承35。

图2是现有技术中的蒸汽涡轮的局部剖视图，从右侧流入的工作流体(蒸汽)流入各喷嘴旋转体20的中央，通过沿喷嘴旋转体20外周面的切线方向形成的喷嘴孔排出，之后流入下一级的喷嘴旋转体，使各级的喷嘴旋转体20旋转。

具有上述构成的反作用式蒸汽涡轮，通过喷嘴孔对流入喷嘴旋转体内部的工作流体进行加速，喷射到外部，通过其反作用力，获得喷嘴旋转体的旋转力，为了实现性能的最大化，喷嘴孔以及喷嘴旋转体内部需要设计为满足工作流体的流入条件和期望的排出条件的最佳方式，尤其是，为了最大限度回收工作流体的热能/流动能量，必须利用压缩性流动的控制方程式，喷嘴旋转体的喷嘴被设为出口端的速度接近超音速。

另一方面，其结果，在为满足这样的条件而被优化的喷嘴旋转体中，喷嘴旋转体的内部与外部之间产生很大的压力差，由于该压力差，涡轮轴上产生较强的单一方向的轴力。

这样的轴力的产生加大轴承的机械性负荷，有可能导致性能以及使用寿命降低，并且由于涡轮机性能下降以及频繁的维护，会导致运行费用增加。并且，如图3中示出，从喷嘴旋转体20排出的工作流体因反作用式蒸汽涡轮的特性，喷嘴旋转体的旋转方向(A)和工作流体的流动方向(B)彼此相反，如果在喷嘴旋转体后端排出的高速的工作流体与喷嘴旋转体20直接接触，则妨碍喷嘴旋转体20的旋转，最终形成对喷嘴旋转体20的阻力。

图4是用于说明根据现有技术的蒸汽涡轮的轴向工作的剖视图。

在图4中，大致对比工作流体的各流路点的静压(Static Pressure，Ps)，则为Ps1＞Ps2＞Ps4≈Ps5＞＞Ps7＞Ps8＞＞Ps6≈Ps3的顺序。

喷嘴旋转体20内部的工作流体压力全凭流动摩擦来降低，所以喷嘴旋转体20内部的各点的压力差的变化相对较少，在从入口20a移动至喷嘴孔20b的期间，由于摩擦产生微量的静压损失。相反，通过喷嘴孔20b的工作流体的速度被提高，同时出现压力急剧下降的现象(点6)，在喷嘴旋转体20外部移动的期间，流体速度下降，同时一部分的压力得到恢复(点7和点8)。最后，在点3，变成停止流动状态，所以点6和点3的静压可以视为大致相等。在这样的流体压力分布形成在喷嘴旋转体20的内部/外部的情况下，在喷嘴旋转体20的壁面(z1、z2、z3)产生的力的分布(F1、F2、F3)可通过各点的压力差和喷嘴旋转体的壁面面积表示，如下面的[数学式1]所示。

[数学式1]

F1＝(Ps2-Ps8)×A_z1，

F2＝(Ps5-Ps7)×A_z2，

F3＝(Ps4-Ps3)×A_z3，

在上述数学式中，A是各壁面(z1、z2、z3)的面积。

并且，在一个喷嘴旋转体20整体上出现的力(Ft)可通过下面的[数学式2]表示。

[数学式2]

Ft＝F3-F1-F2