JP2007113572A - 最適ノズルボックス蒸気通路 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気流の乱流の低減をもたらし、蒸気タービン効率の向上が可能となる、ノズルボックス組立体を提供する。
【解決手段】ノズルボックス組立体は、トーラスと、蒸気通路リングと、ブリッジリングとを含む。トーラスは、複数の蒸気入口と環状蒸気出口とを有する。蒸気通路リングは、環状蒸気入口を有し、環状蒸気入口は、内径（ＩＤ）及び外径（ＯＤ）を有し、蒸気通路リングは、トーラスの下流に配置される。ブリッジリングは、環状蒸気入口と環状蒸気出口とを有し、環状蒸気出口は、ＩＤ及びＯＤを有し、ブリッジリングは、トーラスと蒸気通路リングとの間に配置され、ブリッジリング環状蒸気出口は、蒸気通路リング環状蒸気入口に隣接しており、蒸気通路リング環状蒸気入口のＯＤは、ブリッジリング環状蒸気出口のＯＤよりも大きく、かつ蒸気通路リング環状蒸気入口のＩＤは、ブリッジリング環状蒸気出口のＩＤよりも小さい。
【選択図】図２

Description

本出願は、総括的には蒸気タービンに関し、より具体的には、蒸気タービンに配向される流れの効率を増大させるためのノズルボックスに関する。

蒸気タービン用のノズルボックス組立体は一般的に、３つの構成部品、すなわちトーラスとブリッジリングと蒸気通路リングとを含む。構成部品の各々は、最初に１８０°セグメントの形態で形成され、次ぎに構成部品は互いに溶接されて２つのノズルボックス半体を形成する。次ぎに半体は、水平中央線に沿って互いに接合されて蒸気タービン用の蒸気ボックス組立体を形成する。各ノズルボックス半体は、トーラスと一体形に形成された１つ又はそれ以上の蒸気入口を含む。これらの入口は、タービンの回転軸線に対して垂直な平面内でトーラスから延びる。蒸気タービン運転中に、入口は、トーラス内に流すための蒸気を好適な供給源から受ける。蒸気は、ブリッジリングの環状開口を通ってかつ蒸気通路リング内に流れるようなほぼ軸方向流に方向を変え、蒸気通路リングは、後続のバケットに蒸気流を配向するための翼形ベーンを備えた一連のノズルを有する。

蒸気流路側面に沿ったトーラス、ブリッジリング及び蒸気通路リング間の移行部は、タービン主蒸気入口からの蒸気の流れをかき乱す。このことは、蒸気がブリッジリングを通って蒸気通路リング内に流れる時に、主蒸気入口からの蒸気流に乱流を引き起こす傾向になり、このことが次に、効率の低下を引き起こすことになる。蒸気流路内の乱流を低減することにより、ノズルボックスを通る流れの最適化が可能になり、蒸気タービンの効率の増大が可能になることになる。
米国特許第６，１９６，７９３号公報

本明細書では、ノズルボックス組立体を開示し、本ノズルボックス組立体は、トーラスと、蒸気通路リングと、ブリッジリングとを含む。トーラスは、複数の蒸気入口と環状蒸気出口とを有する。蒸気通路リングは、環状蒸気入口を有し、環状蒸気入口は、内径（ＩＤ）及び外径（ＯＤ）を有し、蒸気通路リングは、トーラスの下流に配置される。ブリッジリングは、環状蒸気入口と環状蒸気出口とを有し、環状蒸気出口は、ＩＤ及びＯＤを有し、ブリッジリングは、トーラスと蒸気通路リングとの間に配置され、ブリッジリング環状蒸気出口は、蒸気通路リング環状蒸気入口に隣接しており、蒸気通路リング環状蒸気入口のＯＤは、ブリッジリング環状蒸気出口のＯＤよりも大きく、かつ蒸気通路リング環状蒸気入口のＩＤは、ブリッジリング環状蒸気出口のＩＤよりも小さい。

本明細書ではさらに、ノズルボックス組立体を通して蒸気流を配向する方法を開示する。蒸気流は、トーラスを通して搬送される。また、蒸気流は、半径方向外向き段部を越えてトーラスの下流方向に配向される。

本明細書ではさらに、蒸気流を配向する一連のノズルを有するノズルボックス組立体用の蒸気通路リングを開示する。また、蒸気通路リングは環状蒸気入口を有し、環状蒸気入口は、内径（ＩＤ）及び外径（ＯＤ）を有し、蒸気通路リング環状蒸気入口のＩＤは、ブリッジリング環状蒸気出口のＩＤよりも小さく、かつ蒸気通路リング環状蒸気入口のＯＤは、ブリッジリング環状蒸気出口のＯＤよりも大きい。

添付図面において同様の要素に同じ符号を付けた例示的な図面を参照する。

図１は、例示的なノズルボックス組立体の半体１００を示す。各ノズルボックス組立体半体１００は、トーラス１１５部分と、ブリッジリング１２０部分と、蒸気通路リング１２５部分とを含む。トーラス１１５部分、ブリッジリング１２０部分及び蒸気通路リング１２５部分は、互いに接合されてノズルボックス組立体半体１００を形成する。また、トーラス１１５との一体形鍛造品の一部を形成する蒸気入口１３０を図示している。例示的な完全ノズルボックス組立体では、図示したノズルボックス組立体半体１００が、同様のノズルボックス組立体半体と接合され、それによって２つのノズルボックス組立体半体は、４つの蒸気入口１３０と１つの実施形態では完全な３６０°にわたって延びたトーラス１１５、ブリッジリング１２０及び蒸気通路ノズルリングとを備えた完全ノズルボックス組立体を形成することが分かるであろう。

図２は、ノズルボックス組立体１００の断面図を示し、トーラス１１５、ブリッジリング１２０及び蒸気通路リング１２５をさらに詳しく示している。それぞれ蒸気通路リング１２５とブリッジリング１２０との間及びブリッジリング１２０とトーラス１１５との間に設置された接合領域１４０及び１４５は、例えば１つの一体形ノズルボックス組立体半体１００を製作するために蒸気通路リング１２５、ブリッジリング１２０及びトーラス１１５の溶接部とすることができる接合を可能にする。さらに、ノズルボックスを通る蒸気流の方向は、矢印１５０によって示している。ノズルボックス組立体を通る蒸気流は、トーラス１１５内に蒸気流を配向する蒸気入口１３０（図１）で始まり、次にブリッジリング１２０を通って流れ続け、最終的に一連のノズルを有する蒸気通路リング１２５を通ってノズルボックス組立体から流出し、ノズルボックス組立体は、蒸気流を後続のバケットに配向するための翼形ベーンを含む。トーラス１１５、ブリッジリング１２０及び蒸気通路リング１２５間の合わせ領域をさらに詳しく示しており、これら合わせ領域には、トーラス蒸気出口１５５、ブリッジリング蒸気入口１６０、ブリッジリング蒸気出口１６５及び蒸気通路リング蒸気入口１７０が含まれる。トーラス蒸気出口１５５、ブリッジリング蒸気入口１６０、ブリッジリング蒸気出口１６５及び蒸気通路リング蒸気入口１７０は、その形状が環状であり、ノズルボックス組立体１００（図１）を通る蒸気のほぼ軸方向流を形成する。

これに代えて、図３の断面図において示すような、２つのトーラス１１５、２つのブリッジリング１２０及び２つの蒸気通路リング１２５を有する複流ノズルボックス組立体１００’を用いることができる。複流ノズルボックス１００’は、トーラス１１５、ブリッジリング１２０及び蒸気通路リング１２５間で、ノズルボックス組立体１００において上述したのと同様な同一向きを共有するが、さらにトーラス１１５、ブリッジリング１２０及び蒸気通路リング１２５の付加的な軸方向に対向した構成を備えており、両軸方向の蒸気流を可能にする。

図４は、蒸気通路リング１２５へのブリッジリング１２０の移行部の拡大図を示しており、この図はさらに、蒸気通路リング蒸気入口の外径（ＯＤ）１７５と、ブリッジリング蒸気出口のＯＤ１８０と、蒸気通路リング蒸気入口の内径（ＩＤ）１８５と、ブリッジリング蒸気出口のＩＤ１９０とを示している。「Ｂ」で示す半径方向段部は、ブリッジリング１２０の蒸気通路リング１２５への接合部に沿った蒸気流路側面上に形作られる。半径方向段部は、１つの実施形態では約０．０７６ｃｍ（０．０３０インチ）の好ましい寸法を有するが、０．０００ｃｍより大きく０．１５２ｃｍ以下（約０．０００インチ〜約０．０６０インチ）の範囲とすることができ、ブリッジリング１２０と蒸気通路リング１２５との間の移行点における断面積の増大をもたらす。合わさる蒸気通路リング蒸気入口１７０とブリッジリング蒸気出口１６５との異なるＯＤ及びＩＤは、半径方向段部を形成する。蒸気通路リング蒸気入口のＯＤ１７５は、ブリッジリング蒸気出口のＯＤ１８０よりも大きく、かつ蒸気通路リング蒸気入口のＩＤ１８５は、ブリッジリング蒸気出口のＩＤ１９０よりも小さく、従って「Ｂ」で示す半径方向段部を生じる。言い換えれば、半径方向段部は、ブリッジリング１２０と蒸気通路リング１２５との間の蒸気流路における段部として説明することができ、ここでは、蒸気通路リング蒸気入口１７０はブリッジリング蒸気出口１６５よりも大きくなっており、蒸気がブリッジリング１２０の内壁に沿って流れる時に、断面積の増大（接合部における断面積の減少とは対照的に）に起因してブリッジリング１２０の蒸気通路リング１２５への接合部に沿って滑らかな流体流れの移行部が生じるようになる。蒸気通路リング１２５とブリッジリング１２０との間の半径方向段部は、ノズルボックス組立体内部における蒸気流の乱流の低減をもたらし、従って蒸気タービン効率の向上が可能になる。

溶接法を使用してトーラス１１５、ブリッジリング１２０及び蒸気通路リング１２５を互いに接合する例示的な実施形態では、溶接法による収縮を考慮して、構成部品間の１００％の溶接を維持しながら半径方向段部を確保するようにする。

本発明を好ましい１つ又は複数の実施形態に関して説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく本発明の要素に対して様々な変更を加えることができ、また本発明の要素を均等物で置き換えることができることは当業者には明らかであろう。さらに、本発明の本来の技術的範囲から逸脱することなく特定の状況又は物的要件を本発明の教示に適合させるように多くの改良を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられた最良の態様として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。

本発明の実施形態により使用する例示的なノズルボックス組立体の一方の半体の斜視図。 本発明の実施形態により使用する図１のノズルボックス組立体の断面図。 本発明の実施形態により使用する複流ノズルボックス組立体の断面図。 図２におけるブリッジリングの蒸気通路リングへの接合部の拡大図。

符号の説明

１００ ノズルボックス組立体
１１５ トーラス
１２０ ブリッジリング
１２５ 蒸気通路リング
１３０ 蒸気入口
１４０、１４５ 接合部
１５５ トーラス蒸気出口
１６０ ブリッジリング蒸気入口
１６５ ブリッジリング蒸気出口
１７０ 蒸気通路リング蒸気入口
１７５ 蒸気通路リング蒸気入口の外径（ＯＤ）
１８０ ブリッジリング蒸気出口のＯＤ
１８５ 蒸気通路リング蒸気入口の内径（ＩＤ）
１９０ ブリッジリング蒸気出口のＩＤ

Claims (10)

1. 複数の蒸気入口（１３０）と環状蒸気出口（１５５）とを有するトーラス（１５５）と、
   内径（ＩＤ）（１８５）及び外径（ＯＤ）（１７５）を持つ環状蒸気入口（１７０）を有し、前記トーラス（１１５）の下流に配置された蒸気通路リング（１２５）と、
   環状蒸気入口（１６０）とＩＤ（１９０）及びＯＤ（１８０）を持つ環状蒸気出口（１６５）とを有し、前記トーラス（１１５）と前記蒸気通路リング（１２５）との間に配置されたブリッジリング（１２０）と、を含み、
   前記ブリッジリング環状蒸気出口（１６５）が、前記蒸気通路リング環状蒸気入口（１７０）に隣接し、
   前記蒸気通路リング環状蒸気入口のＯＤ（１７５）が、前記ブリッジリング環状蒸気出口のＯＤ（１８０）よりも大きく、かつ前記蒸気通路リング環状蒸気入口のＩＤ（１８５）が、前記ブリッジリング環状蒸気出口のＩＤ（１９０）よりも小さい、
   ノズルボックス組立体。
2. 前記蒸気通路リング（１２５）及びブリッジリングのＯＤ間の差とＩＤ間の差とが、半径方向段部を形成する、請求項１記載のノズルボックス組立体。
3. 前記半径方向段部が、０．０００ｃｍより大きく０．１５２ｃｍ以下である、請求項２記載のノズルボックス組立体。
4. 前記半径方向段部が、略０．０７６ｃｍである、請求項３記載のノズルボックス組立体。
5. 前記蒸気通路リング（１２５）及びブリッジリング（１２０）が、互いに固定接合される、請求項１記載のノズルボックス組立体。
6. ノズルボックス組立体を通して蒸気流を配向する方法であって、
   トーラス（１１５）を通して蒸気流を搬送する段階と、
   半径方向外向き段部を越えて前記蒸気流を前記トーラス（１１５）の下流方向に配向する段階と、
   を含む方法。
7. 前記蒸気流を配向する段階が、ブリッジリング（１２０）と蒸気通路リング（１２５）との間の接合部における半径方向段部を越えて前記蒸気流を配向する段階をさらに含む、請求項６記載の方法。
8. 蒸気通路リング（１２５）であって、
   蒸気流を配向する一連のノズルと、
   環状蒸気入口（１７０）と、を含み
   前記環状蒸気入口（１７０）が、内径（ＩＤ）（１８５）及び外径（ＯＤ）（１７５）を有し、
   前記蒸気通路リング環状蒸気入口のＩＤ（１８５）が、ブリッジリング環状蒸気出口のＩＤ（１９０）よりも小さく、かつ該蒸気通路リング環状蒸気入口のＯＤ（１７５）が、前記ブリッジリング環状蒸気出口のＯＤ（１８０）よりも大きい、
   蒸気通路リング（１２５）。
9. 前記蒸気通路リング（１２５）及びブリッジリングのＯＤ間の差とＩＤ間の差とが、半径方向段部を形成する、請求項８記載の蒸気通路リング（１２５）。
10. 前記半径方向段部が、０．０００ｃｍより大きく０．１５２ｃｍ以下である、請求項８記載の蒸気通路リング（１２５）。

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