JP2007315385A - 水分除去及び蒸気噴射のための翼形部及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水分除去及び蒸気噴射のための翼形部及び方法を提供する。
【解決手段】蒸気タービンの流路から水分を除去するように該蒸気タービンの翼形部の列内に配置された翼形部（５６）は、第１及び第２の長手方向端部とそれら端部間で延びる外周壁とを有し、前記外周壁が、翼形部前縁、翼形部後縁、ほぼ凹面形の側面及びほぼ凸面形の側面とを形成し、少なくとも１つの水分抽出ボア（５８、６０）が、該翼形部の全長の一部分に沿って延び、かつ前記翼形部列及び隣り合う翼形部間を通過して延びる蒸気通路と流れ連通した少なくとも１つの入口開口（６６、６８）を有するように形成され、少なくとも１つの蒸気噴射ボア（６２）が、少なくとも１つの前記水分抽出ボアの軸方向下流において該翼形部の全長の一部分に沿って延び、かつ前記蒸気通路内に蒸気噴射するための少なくとも１つの出口開口（７６、７８、８２）を含むように形成される。
【選択図】 図７

Description

本発明は、蒸気タービンにおける水分除去及び蒸気噴射のための翼形部及び方法に関する。

湿り蒸気の場合、蒸気搬送水分つまり一次水分と蒸気通路の内部金属表面上に付着した水分つまり二次水分との両方は、効率損失を引き起こし、また侵食の原因となる。

ダイアフラム表面上への水の堆積は、表面毎に異なる複雑なプロセスである。蒸気タービンとの関連では、「段」は、２つの翼形部の列を含み、一方が固定翼形部列であり、他方が固定翼形部列の下流に配置された回転翼形部列の状態で回転する２つの翼形部の列として形成される。ダイアフラムの外側壁及び翼形部（ノズル）の場合、水堆積の主たる要因は、先行する回転バケットから水滴を外向きに押し出す遠心力である。水滴とノズル前縁との間の大きな入射角の結果として、水の大部分は、前縁に極めて近いノズル負圧側面（凸面形表面）の前方部分上に付着（衝突）する。ノズルの正圧側表面に関して言えば、水の堆積は、粗大粒の水及び後縁のより近くに作用する遠心力により、全てのチャネルに沿って生じ（図３）、より多くの水がこの表面上に堆積される。外側壁及びノズル上の堆積した水は、回転するバケットに向けて下流方向に流れ、従って侵食の危険性を増大させる。

蒸気タービン段内の付着した水分の経路は、次のように進むことになる。水分は、タービンの前段又は複数の前段から運ばれた一次水分又は二次水分のいずれかとして始まる。図１及び図３を参照すると、図３にその全体を参照符号１０で示す水分は、固定翼形部１４の正圧つまり凹面形側面１２上に付着する。水分は、蒸気によって固定翼形部後縁１６へと押し進められる。水分は、固定翼形部後縁１６から水の塊の形態で引き離され、固定翼形部１４の後方の伴流内で蒸気と同一方向であるが蒸気よりも遅い速度で移動する。水分は次に、該水分と周囲の蒸気との間の相対速度が一定の閾値に達すると、霧化される。この時点で、水分はその加速度が大きく増大するが、それでも周囲の蒸気よりも遅い速度で移動する。図１にその全体を参照符号１８で示すこの水分は、回転翼形部前縁２２に衝突する。この図において、Ｗは、バケット回転速度であり、Ｖ_ＷＢは、バケットに対する水の速度である。

図２を参照すると、従来では、回転翼形部２０の負圧つまり凸形側面２６上に該回転翼形部２０の前縁２２に近接させて幾つかの（典型的には３つの）ラジアル溝２４を設置して前縁２２に衝突する水分を除去するようにすることができる。溝２４の欠点は、それら溝が既に大きな効率損失を引き起こしてしまった水分を除去するに過ぎないことである。事実、水分１０が固定翼形部の正圧側面１２上に最初に付着した時から回転する前縁２２により水分が遮断されるまで及び回転する前縁２２により水分が遮断された時に、様々な種類の効率損失が起こる。

蒸気タービンの幾つかの最終段においては、高い速度及び高い局所的湿り値により、保護対策が採られない場合には、先端領域において侵食が発生するのが普通である。一般的に、ブレード表面上における上記の水分堆積のメカニズムは、よく認められており、この概念は、蒸気タービンの最終段における多くの水分除去設計のためのベースラインである。製造業者は一般的に、この領域近くのバケット前縁を堅牢にするか、又はそれらを付属体ストリップで遮蔽する。その他の保護手段には、ノズル外側壁（端部壁）内の排水装置を通しての又は中空ステータブレード（翼形部又はノズル）内に作られた吸引スロットを通しての水の除去が含まれる。この水分は次に、ダイアフラムとケーシングとの間の円周方向空洞内に収集され、凝縮器に排出される。

これまでのブレードを通しての水分除去の概念は、蒸気通路と中空ブレードの内部空間との間の圧力差（圧力低下）によりブレード表面からスロットを通して水分フィルムを抽出することに基づいている。ダイアフラム外側／内側リング内に収集した水分は次に、最終的には凝縮器に排出される。従って、この先行技術は、翼形部の負圧側面上に設置され、かつ凝縮器に排水連通した外側／内側リングチャンバに結合された抽出スロット／ボアを中空ダイアフラム構造体に設けることから成る。

現在の中空ブレード水分抽出スロット／ボアの設計は、水分除去を行い、従って能動的な機能を果たす。しかしながら、この水分抜き取り方法は、十分な圧力低下の下でのみ効果的に作用することができ、この十分な圧力低下は同時に、蒸気通路から凝縮器への蒸気の大きな量を抜き取り、従って蒸気タービン効率を低下させる。典型的な蒸気漏出の値は、主蒸気の０．５〜０．８％である。この漏出は、その量に比例して蒸気タービン効率を低下させる。

侵食の危険性を減少させる別の概念は、より小さな粒径の水滴は、より大きな粒径の水滴よりも引き起こす侵食が少ないという事実に基づいている。この概念によると、中空ブレードスロットから蒸気を噴出させて、ブレード表面から水分フィルムを押し退けると同時に大きな水滴を小さな水滴に崩壊／細分化させる。従来では、この概念によると、蒸気噴出スロットは、可能な限り後縁に近接させて配置される。
米国特許第６，４７４，９４２号公報 米国特許第５，２６１，７８５号公報 米国特許第３，８８１，８４２号公報 Fadeev l.P.; "Erosion in wet steam Turbines" (ФадеевИ.П., "Эрозия влажнопаровь1х турбин"), "Машиностроение", Book published in Russia: 1974; page 141 and page 152 Troyanovsky, et al; "Latest Developments in Steam Turbine Low Pressure Cylinders and Last Stages"; The Moscow Power Institute (state University); 2002; 3 pages; Fig. 9.3 excerpted from Sakuma et al., "Upgrading and life Extension Technologies for Existing Steam Turbines", (Toshiba Co.), 2001. October. P832-837

本発明は、特に蒸気タービン最終段において、１つ又は複数の最終段バケットの侵食問題を引き起こす水分を減少させるための翼形部及び方法を提供する。より具体的には、本発明は、蒸気通路から水分を効果的に除去すること及び／又は水滴粒径を小さくすることによって段効率を向上させる。本発明の実例実施形態では、これは、ノズル表面から水分を抽出する水分除去ボアと、水分除去ボアを通して流出する蒸気の少なくとも幾らかを戻し、かつ／又は翼形部表面から水分を押し退け、従って粗大粒の水滴をより小さな粒径に細分化する蒸気噴射ボアとの両方を使用することによって達成される。

従って、本発明は、蒸気タービンの流路から水分を除去するように該蒸気タービンの翼形部の列内に配置された翼形部として具体化することができ、本翼形部は、第１及び第２の長手方向端部とそれら端部間で延びる外周壁とを有し、外周壁は、翼形部前縁、翼形部後縁、ほぼ凹面形の側面及びほぼ凸面形の側面とを形成し、少なくとも１つの水分抽出ボアが、翼形部の全長の一部分に沿って延び、かつ翼形部列及び隣り合う翼形部間を通過して延びる蒸気通路と流れ連通した少なくとも１つの入口開口を有するように形成され、少なくとも１つの蒸気噴射ボアが、少なくとも１つの水分抽出ボアの軸方向下流において翼形部の全長の一部分に沿って延び、かつ蒸気通路内に蒸気噴射するための少なくとも１つの出口開口を含むように形成される。

本発明はまた、蒸気タービンの流路から水分を除去する方法として具体化することができ、本方法は、蒸気タービンの翼形部の列内に少なくとも１つの水分除去翼形部を設ける段階を含み、水分除去翼形部は、第１及び第２の長手方向端部とそれら端部間で延びて翼形部前縁、翼形部後縁、ほぼ凹面形の側面及びほぼ凸面形の側面を形成した外周壁と、該翼形部の全長の一部分に沿って延び、かつ翼形部列及び隣り合う翼形部間を通過して延びる蒸気通路と流れ連通した少なくとも１つの入口開口を有するように形成された少なくとも１つの水分抽出ボアと、少なくとも１つの水分抽出ボアの軸方向下流において該翼形部の全長の一部分に沿って延び、かつ蒸気通路内に蒸気噴射するための少なくとも１つの出口開口を含むように形成された少なくとも１つの蒸気噴射ボアとを有し、本方法はさらに、少なくとも１つの水分抽出ボアを通して翼形部の表面から水分を抽出する段階と、少なくとも１つの蒸気噴射ボアを通して蒸気通路内に蒸気を噴射する段階とを含む。

本発明のこれらの及びその他の目的及び利点は、添付図面と関連して行った本発明の現時点での好ましい実例実施形態に関する以下のより詳細な説明を注意深く検討することによって一層完全に理解されかつ評価されるであろう。

水分除去は、２つの基本的理由で必要とされる。第１の理由は、水分を除去して（又は、水滴粒径を小さくして）、特に最終段バケットに対する侵食の危険性を減少させるためである。この侵食は、バケットの信頼性を低下させ、また段性能を低下させる可能性がある。水分を除去する第２の理由は、水分の運動量及び飛翔経路における損失によるバケットとノズルとの間のベクトルダイアフラム反作用力を改善することによって段効率を向上させるためである。

本発明は、蒸気タービン段、特に蒸気タービン最終段内の水分を減少させて、この又はこれらの段のバケットの侵食問題を減少させるための構造及び方法を提供する。さらに、本発明は、蒸気通路から水分を除去し、それによって段効率を向上させることによって蒸気タービンの性能を向上させるための翼形部構成及び方法を提供する。具体的には、本発明は、水分除去効率を向上させる翼形部構成及び方法を提案する。

本発明の実例実施形態では、水分除去の効率は、水分除去及び蒸気噴射の両方を行うダイアフラム設計により改善される。水分除去は、ノズル表面から水分フィルムを抽出する少なくとも１つのボアによって行われる。蒸気噴射は、少なくとも１つの蒸気噴射ボアによって行われる。蒸気噴射は、ノズルの表面から水分を押し退ける働きをし、従って粗大粒の水滴をより小さな粒径に細分化する。さらに、実例実施形態では、噴射蒸気は、蒸気通路から1つ又は複数の水分除去ボア内に流入する蒸気で構成され、その結果、蒸気噴射は、一般的に1つ又は複数の水分除去ボアのみを設けた場合に凝縮器に流れることになる蒸気の多くを節約するようになる。1つ又は複数の水分除去ボアと蒸気噴射との組合せにより、回転バケット侵食の危険性が減少しかつ蒸気タービンの信頼性が向上する。効率は、水分の除去によってだけでなく、水分抽出ボアを通して不可避的に漏出する蒸気を蒸気噴射によって戻すことによっても改善される。

従って、本発明は、水分除去の問題を解決することを目的としており、従ってバケット侵食の危険性を減少させるが、本発明はさらに蒸気通路からの蒸気漏出／抜き取りによる蒸気効率の低下を最少にする利点がある。加えて、本発明の実例実施形態による蒸気噴射は、水滴粒径を小さくすることによって段効率を改善する。

図４は、典型的な双流式低圧（ＬＰ）タービンセクションを概略的に示しており、図５は、典型的なダイアフラム段を概略的に示している。図６は、本発明を具体化した水分除去概念を示す、ダイアフラム段の概略断面図であり、他方図７は、本発明を具体化した水分抽出及び蒸気噴射のより詳細な拡大図である。図示するように、ダイアフラム５０は、内側リング５２、外側リング５４、及びそれら両リング間で延びる複数のノズル（翼形部）５６を含む。本発明の実例実施形態では、少なくとも１つの水分抽出ボア５８、６０及び少なくとも１つの蒸気噴射ボア６２が、翼形部５６の全長の少なくとも一部分に沿って延びるように形成される。実例実施形態では、第１及び第２の水分抽出ボア５８、６０が、単一の蒸気噴射ボア６２と共に設けられる。

水分抽出ボア５８、６０及び蒸気噴射ボア６２は各々、それらそれぞれの半径方向外端部において、外側リング５４内に形成されたダイアフラム外側空洞６４と連通している。この図示した実例実施形態では、ダイアフラム外側空洞は、後で一層詳細に説明するように、水分を収集しかつ凝縮器に除去するために蒸気と水分との分離を促進するように構成されているが、蒸気は、蒸気噴射ボア６２を通して蒸気通路に戻ることができる。

１つ又は複数のノズル水分抽出ボア５８、６０は、スロット（開放溝）の形態或いはこの実例実施形態に示すように、１つ又は複数の入口スロット６６又は孔６８と出口とを有する細長い通路とすることができる。さらに、より大きな、例えば連続的な入口空洞７０を、入口スロット６６又は孔６８と連通させることができ、或いは幾つかの小さな入口空洞７２を、それぞれの孔を介して抽出ボアに連結させることができる。従って、図８〜図１１には、様々な非限定的な実例実施形態を示す。

図８及び図１０を参照すると、１つ又は複数の水分抽出ボア５８、６０は、水分を収集しかつ該ボア内に導くためにノズルの表面内に細長い水分入口区域又は空洞を形成した状態で翼形部の長手方向に延びるように設けることができる。図１０に示す実施形態では、水分抽出ボア５８、６０は、入口区域７０内に収集された水分を水分抽出ボア内に導くためにその全長の少なくとも一部分に沿って形成された細長いスロット６６を有する。

図１１に示す別の実施形態では、複数の水分除去孔６８は、水分抽出ボア５８、６０と連通しており、水分除去孔６８の各々は、翼形部の表面から陥凹したそれぞれの水分入口区域又は空洞７２を有し、各水分入口区域又は空洞７２は、水分の収集を可能にし、また収集した水分を水分抽出ボア５８、６０を通して抽出するために水分除去孔６８内に導く。

１つ又は複数の蒸気噴射ボア６２は、同様に構成することができる。この点に関して、１つ又は複数のノズル噴射スロットは、ノズル壁に対して所定の角度で蒸気通路内に向けられた１つ又は複数の単純なスロット又は孔（図９に示すように）とすることができる。別の実施形態では、噴射空洞を設けて（図８に示すように）、スロット又は空洞上を流れる真空効果を試みかつ使用して出口における圧力を低下させ、それによって（再）噴射蒸気のための全デルタ圧力を向上させることができる。これは、ノズルの周りを流れる圧力が後縁に向って移動するにつれて低下するという事実によって達成される。この圧力勾配により、１つの軸方向位置における蒸気／水分抽出が可能になり、次により低圧の別の軸方向又は半径方向位置における（再）噴射が可能になる。

より具体的には、図８の実施形態では、細長いスロット７６又は複数の噴射孔７８が、蒸気噴射ボア６２の全長に沿って形成される。この実例実施形態では、噴射スロット／孔は、翼形部表面に対してほぼ垂直に配向されているが、スロット／孔は、下流方向に傾けることも可能であり、また１つ又は複数の出口空洞８０を噴射スロット／孔７６、７８と連通させて、上に述べた真空効果を使用するように、そしてまた噴射した蒸気を翼形部の表面に沿って方向付けしかつ流して水分を除去しかつ崩壊させるようにする。別の実施形態では、図９に示すように、出口空洞を省略し、１つ又は複数の噴射スロット／孔８２を、翼形部の表面から水分を除去するために下流方向に向くように斜ける。

上に述べたように、１つ又は複数の水分抽出ボア５８、６０は、ダイアフラム外側リング５４の円周方向空洞６４に至る。円周方向抽出空洞は、水分がケーシング空洞６４の下方部分に落下して典型的には凝縮器に導かれるように排水孔８４を通して除去された状態で、１つ又は複数のノズル噴射ボア６２を通して蒸気を再流入させるのを可能にするように構成されかつ配置される。この図示した実例実施形態では、水分を空洞内に保持しかつ水分が噴射ボアを通して蒸気通路に再流入するのを実質的に防ぐために、空洞６４内部には少なくとも２つの円周方向レール８６が設けられる。この点に関して、湿り蒸気が空洞に流入した時に、湿り蒸気は壁面上で凝結することになり、水分は、基本的には所定の円周方向チャンバ内を流れて排出ケーシング内の底部排水孔に流れることになる。レールは、水分が噴射空洞８８に、ましてさらにノズル噴射スロット／孔７６、７８、８２に至る１つ又は複数の実際のボア６２に移動するのを防ぐ。この図示した円周方向抽出空洞の構成は、単に実施例のためのものであって、開示した発明を限定するものではないことを理解されたい。

提案した組立体の更なる特徴によると、ダイアフラム外側リング蒸気／水分空洞と排出ケーシング（排水孔）との間に、スプーリ又は可撓性連結装置（図示せず）を設けることができる。これは、ダイアフラムとケーシングとの間の一層限定した（密封した）空洞とすることができ、或いは一般的にガスタービン設計及び航空機エンジン設計において使用する「スプーリ」とすることができる。連結装置もまた、ベローズ、ピストンリング及びパイプのような部品間の可撓性連結装置又はその他の連結装置とすることができる。

現時点において最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関連させて本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、むしろ特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更形態及び均等な構成を保護することを意図していることを理解されたい。

そこを通る蒸気及び水分の流れを示す、タービン段の一部分の概略断面図。 図１の細部Ａに対応する拡大概略断面図。 固定翼形部の正圧側面上への付着直前における水滴の移動を示す、上方から見た概略断面図。 最終段ダイアフラムの位置を示す、典型的な双流式低圧（ＬＰ）蒸気タービンの概略側面図。 典型的なダイアフラム組立体の前面図。 本発明の実例実施形態における水分除去の概略図。 図６の実施形態による水分除去のより詳細な図。 本発明の実例実施形態における水分除去及び蒸気噴射の概略上面断面図。 別の実施形態による水分抽出及び蒸気噴射の概略図。 実例実施形態における水分収集入口区域の概略図。 別の水分収集入口区域を示す、図１０と同様な図。

符号の説明

１２ 固定翼形部の凹面形側面
１４ 固定翼形部
２０ 回転翼形部
５０ ダイアフラム
５２ 内側リング
５４ 外側リング
５６ 翼形部（ノズル）
５８、６０ 水分抽出ボア
６２ 蒸気噴射ボア
６４ ダイアフラム外側空洞
６６、６８ 水分入口スロット
７０、７２ 水分入口空洞
７６、７８、８２ 蒸気噴射スロット
８０ 蒸気出口空洞
８４ 排水孔
８６ 円周方向レール
８８ 噴射空洞

Claims (10)

1. 蒸気タービンの流路から水分を除去するように該蒸気タービンの翼形部の列内に配置された翼形部（５６）であって、
   第１及び第２の長手方向端部とそれら端部間で延びる外周壁とを有し、
   前記外周壁が、翼形部前縁、翼形部後縁、ほぼ凹面形の側面及びほぼ凸面形の側面とを形成し、
   少なくとも１つの水分抽出ボア（５８、６０）が、該翼形部の全長の一部分に沿って延び、かつ前記翼形部列及び隣り合う翼形部間を通過して延びる蒸気通路と流れ連通した少なくとも１つの入口開口（６６、６８）を有するように形成され、
   少なくとも１つの蒸気噴射ボア（６２）が、少なくとも１つの前記水分抽出ボアの軸方向下流において該翼形部の全長の一部分に沿って延び、かつ前記蒸気通路内に蒸気噴射するための少なくとも１つの出口開口（７６、７８、８２）を含むように形成される、
   翼形部（５６）。
2. 前記水分抽出ボア（５８、６０）を通して抽出された水分及び蒸気を受けるようになった蒸気／水分分離空洞（６４）をさらに含み、
   前記蒸気／水分分離空洞（６４）が、該空洞内で分離した蒸気を前記蒸気通路内に再噴射するように前記蒸気噴射ボア（６２）と流れ連通している、
   請求項１記載の翼形部。
3. 前記噴射ボアを通しての水分の戻りを実質的に防止するように前記空洞内に配置された少なくとも１つの半径方向に延びるレール（８６）をさらに含む、請求項２記載の翼形部。
4. 前記少なくとも１つの入口開口が、前記蒸気通路を前記抽出ボアと連通する複数の入口孔（６８）を含む、請求項１記載の翼形部。
5. 該翼形部の表面の少なくとも一部分が、前記少なくとも１つの入口開口に隣接して陥凹される、請求項１記載の翼形部。
6. 前記蒸気噴射のための少なくとも１つの出口開口（７６、７８）が、該翼形部の表面に対してほぼ垂直に延びる、請求項１記載の翼形部。
7. 前記蒸気噴射のための少なくとも１つの出口開口（８２）が、ほぼ下流方向に向くように該翼形部の表面に対して斜めに延びる、請求項１記載の翼形部。
8. 前記蒸気噴射のための少なくとも１つの出口開口（８２）が、該翼形部の凸面形表面に開口する、請求項１記載の翼形部。
9. 蒸気タービンの流路から水分を除去する方法であって、
   蒸気タービンの翼形部の列内に少なくとも１つの水分除去翼形部（５６）を設ける段階を含み、前記水分除去翼形部が、
   第１及び第２の長手方向端部とそれら端部間で延びて翼形部前縁、翼形部後縁、ほぼ凹面形の側面及びほぼ凸面形の側面を形成した外周壁と、
   該翼形部の全長の一部分に沿って延び、かつ前記翼形部列及び隣り合う翼形部間を通過して延びる蒸気通路と流れ連通した少なくとも１つの入口開口（６６、６８）を有するように形成された少なくとも１つの水分抽出ボア（５８、６０）と、
   少なくとも１つの前記水分抽出ボアの軸方向下流において該翼形部の全長の一部分に沿って延び、かつ前記蒸気通路内に蒸気噴射するための少なくとも１つの出口開口（７６、７８、８２）を含むように形成された少なくとも１つの蒸気噴射ボア（６２）と、
   を有し、該方法がさらに、
   前記少なくとも１つの水分抽出ボアを通して前記翼形部の表面から水分を抽出する段階と、
   前記少なくとも１つの蒸気噴射ボアを通して前記蒸気通路内に蒸気を噴射する段階と、
   を含む方法。
10. 前記少なくとも１つの水分抽出ボア（５８、６０）及び少なくとも１つの蒸気噴射ボア（６２）が、それぞれ蒸気／水分分離空洞（６４）と流れ連通しており、
    前記蒸気を噴射する段階が、前記少なくとも１つの水分抽出ボアを通して水分と共に抽出した蒸気を再噴射する段階を含む、
    請求項９記載の方法。

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