JP2008002467A - タービンを組立てる方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】回転自在の機械を組立てることに関し、特に、蒸気タービンの抽気空洞部を密封する方法及びシステムを提供する。
【解決手段】
タービン１０は、環状ケーシング２４と、ケーシングとの間に空洞部３００が形成されるように、ケーシングから半径方向内側に配置された環状ノズル支持体２１０と、環状ケーシングの前縁部３５０及びノズル支持体の前縁部３６２のうち少なくとも一方から延在するフランジ３５２と、フランジとノズル支持体及びケーシングのうち少なくとも一方との間に配置され、ケーシングとノズル支持体との間に、空洞部を密封するように延在するシールリング３５８とを含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、一般に、回転自在の機械を組立てることに関し、特に、蒸気タービンの抽気空洞部を密封する方法及びシステムに関する。

少なくともいくつかの周知の蒸気タービン構造は、タービンの回転自在の部材に結合されたブレードへ蒸気の流れを誘導する複数の静止ノズルセグメントを含む。ノズルエーロフォイル構成は、通常、ダイアフラム段と呼ばれる。外側構造又はリングにより２つ以上のノズル段が支持される場合、その構成は、一般にノズル支持体、「ドラム構成」又は「支持体構成」流路と呼ばれる。ノズル支持体は、ノズルがタービンブレードの段とほぼ整列されるように、タービンケーシングの内部で支持される。

少なくともいくつかの周知のタービンにおいては、他の用途において使用するための蒸気が低圧タービン部分から抽出される。一般に、ノズル支持体を含む蒸気タービンの場合、蒸気は、支持体の最終段の下流側でタービン部分から抽出されるのみである。しかし、場合によっては、この抽出場所は、蒸気を抽出するのに最適の段ではない。例えば、多くの場合、より高圧又は高温の蒸気が望まれる。

従って、少なくともいくつかの周知の蒸気タービンは、タービン構造の内部で別個の支持体を利用し、第１の支持体と第２の支持体との間に形成された場所から蒸気を抽出可能にする。しかし、別個の支持体を利用すると、必要な調整を実行するために支持体及び回転子の双方を除去しなければならなくなるので、整列が困難になる。更に、別個の支持体を利用した場合、一般に、支持体の改善を意図するタービンの設計が複雑になる。その結果、タービンの製造、組立て及び／又は保守と関連する費用及び／又は時間が増加する可能性がある。
米国特許第７，００１，１４５号公報 米国特許第６，９３９，１０６号公報 米国特許第６，８９９，５２０号公報 米国特許第６，８３２，８９２号公報 米国特許第６，７６９，８７０号公報 米国特許第６，４７７，７７３号公報 米国特許第６，４６４，４５３号公報 米国特許第６，４５３，５５７号公報 米国特許第６，３７５，４２９号公報 米国特許第６，１６４，６５６号公報 米国特許第４，６７９，９８１号公報 米国特許第３，７２４，９６９号公報

１つの面においては、タービンを組立てる方法が提供される。方法は、ノズル支持体とケーシングとの間に空洞部が形成されるように、環状ノズル支持体をケーシングから半径方向内側に配置することを含む。方法は、環状ケーシングの前縁部及びノズル支持体の前縁部のうち少なくとも一方からフランジを延在させることと、ノズル支持体とケーシングとの間に、空洞部を密封するようにシールリングを延在させることとを更に含み、シールリングは、フランジとノズル支持体及びケーシングのうち少なくとも一方との間に配置される。

別の面においては、タービンが提供される。タービンは、環状ケーシングと、ケーシングとの間に空洞部が形成されるように、ケーシングから半径方向内側に配置された環状ノズル支持体とを含む。タービンは、環状ケーシングの前縁部及びノズル支持体の前縁部のうち少なくとも一方から延在するフランジと、ケーシングとノズル支持体との間に、空洞部を密封するように延在するシールリングとを更に含む。シールリングは、フランジとノズル支持体及びケーシングのうち少なくとも一方との間に配置される。

更に別の面においては、環状構成要素支持体アセンブリが提供される。支持体アセンブリは、環状機械ケーシングとの間に空洞部が形成されるように、ケーシングから半径方向内側に配置される。アセンブリは、ケーシングの前縁部及び支持体アセンブリの前縁部のうち少なくとも一方から延在するフランジと、ケーシングと支持体アセンブリとの間に、空洞部を密封するように延在するシールリングとを含む。シールリングは、フランジと支持体アセンブリ及びケーシングのうち少なくとも一方との間に配置される。

図１は、対向流蒸気タービン１０の一例を示した概略図である。タービン１０は、第１の低圧（ＬＰ）部分１２及び第２のＬＰ部分１４を含む。当該技術において公知のように、各タービン部分１２及び１４は、複数のダイアフラム段（図１には図示せず）を含む。回転子軸１６はＬＰ部分１２及び１４を貫通する。ＬＰ部分１２はノズル１８を含み、ＬＰ部分１４はノズル２０を含む。単一の外側シェル又はケーシング２２は、水平面に沿って軸方向に上部半体部分２４及び下部半体部分２６にそれぞれ分割され、ＬＰ部分１２及び１４の双方にまたがる。シェル２２の中央部分２８は低圧蒸気入口３０を含む。外側シェル又はケーシング２２の内部において、ＬＰ部分１２及び１４は、ジャーナル軸受３２及び３４により支持された単一の軸受スパンに配列される。流れ分割器４０は、第１のタービン部分１２と第２のタービン部分１４との間に延在する。

尚、図１は複流低圧タービンを示すが、当業者には理解されるように、本発明は、低圧タービンと組合わせての使用に限定されず、中圧（ＩＰ）タービン又は高圧（ＨＰ）タービンを含む任意の複流タービンと関連して使用可能である。また、本発明を使用できるタービンは、ＩＰタービン又はＨＰタービンに限定されない。更に、本発明は、複流タービンと組合わせての使用に限定されず、例えば、単流タービンと組合わせても使用可能である。

動作中、低圧蒸気入口３０は、蒸気源、例えば、ＨＰタービン又はＩＰタービンからクロスオーバ管（図示せず）を経て低圧／中間温度蒸気５０を受取る。蒸気５０は、入口３０を通って搬送され、流れ分割器４０は、蒸気を２つの逆方向に流れる流路５２及び５４に分割する。特に、蒸気５０は、ＬＰ部分１２及び１４を経て搬送され、その際、回転子軸１６を回転するための仕事が蒸気から抽出される。蒸気はＬＰ部分１２及び１４から出て、例えば、復水器へ搬送される。

図２は、ノズル支持体アセンブリ２１０の一例を示した斜視図である。ノズル支持体アセンブリ２１０は、タービン、例えば、タービン１０の複数の静止ノズル２１２を保持する。一実施形態においては、ノズル支持体アセンブリ２１０は、通常、抽気が実行される低圧タービン部分と関連して使用される。別の実施形態においては、ノズル支持体アセンブリ２１０は、高圧タービン部分又は中圧タービン部分と共に使用される。本実施形態においては、支持体アセンブリ２１０は、上部支持体半体２１４及び下部支持体半体２１５を含み、それらの半体は、水平接合面２１６に沿って一体に結合される。ノズル２１２は、支持体アセンブリ２１０に沿って軸方向に離間された場所に１つの環状アレイとして配置される。周囲方向に互いに離間して配置されたノズル２１２のアレイの各々は、互いに周囲方向に当接して配置された複数の個別のノズル２１２を含む。下部支持体半体２１５の内部に回転子（図示せず）が回転自在に結合された場合、支持体半体２１４及び２１５を一体に結合後、ノズル２１２は、回転子から半径方向外側へ延在するエーロフォイル又はバケットの環状アレイと共に、タービン１０の複数の段を形成する。あるいは、各ノズル段は、エーロフォイルが機械加工により形成されているか又はリングの内側部分及び外側部分として製造されている２つの半体リングから形成されてもよい。これにより段が形成される。

図３は、タービンエンジン１０の一部を示した概略横断面図である。タービンエンジン１０は上部半体ケーシング２４を含む。タービンエンジン１０の組立てが完了したとき、上部半体ケーシング２４は下部半体ケーシング（図示せず）に結合されている。ノズル支持体２１０は、ノズル支持体２１０とケーシング２４との間に空洞部３００が形成されるように、ケーシング２４から半径方向内側に配置される。複数のガセット３０４により、ケーシング２４とノズル支持体２１０との間の支持が容易になるように、空洞部３００の中にガセット構造３０２が配置される。ガセット構造３０２は半径方向突起部３０６を含む。突起部３０６は、ケーシング２４に形成された切欠き３０８の中に配置され、ガセット構造３０２及び／又はノズル支持体２１０の軸方向運動を阻止するのを助ける。更に、本実施形態においては、ノズル支持体２１０は、ボイラなどの装置からタービンチャンバ３１０の中へ蒸気を排出するように配置された複数のノズル２１２を含む。密封アセンブリ３１２は、ノズル支持体２１０と密封接触して周囲の大気から空洞部３００を密封するのを助けるように、ケーシング２４に結合される。密封アセンブリ３１２に関しては、以下に更に詳細に説明する。別の実施形態においては、密封アセンブリ３１２はノズル支持体２１０に結合され、ケーシング２４と密封接触して、周囲の大気から空洞部３００を密封するのを助ける。

本実施形態においては、ノズル支持体２１０は、タービンチャンバ３１０から空洞部３００に至るまでノズル支持体２１０を貫通する少なくとも１つの開口部３１４を含む。更に、本実施形態においては、開口部３１４は、タービン回転子１６に結合された動翼の段３１６とほぼ整列される。動翼段３１６は、隣接するノズル２１２の間で回転自在である。開口部３１４を整列させることにより、動翼段３１６から蒸気を抽出可能になる。一実施形態においては、ノズル支持体２１０は複数の開口部３１４を含む。各々の開口部３１４は、複数の動翼段３１６とほぼ整列されるので、種々の動翼段３１６から蒸気を抽出できる。別の実施形態においては、ノズル支持体２１０は、ノズル支持体２１０の周囲に沿って互いに離間して配置された複数の開口部３１４を含み、開口部３１４は、少なくとも１つの動翼段３１６と整列される。尚、開口部３１４は円形であってもよいし、スロット（溝穴）を有していてもよい。あるいは、開口部３１４は、タービン１０から蒸気を抽出するのを容易にする他の任意の適切な形状であってもよい。更に、一実施形態においては、開口部３１４は、ノズル支持体２１０の周囲に沿って延在する細長いスロットである。別の実施形態においては、開口部３１４は、円形開口部と、スロット付き開口部を含む他の形状の開口部との組合せである。

図４は、密封アセンブリ３１２を示した拡大概略横断面図である。密封アセンブリ３１２は、ケーシング２４からノズル支持体２１０まで延在する。特に、ケーシング２４の前縁部３５０は、ノズル支持体２１０に向かってほぼ半径方向内側へ延在するフランジ３５２を含む。フランジ３５２は、周囲の大気に対して流れガイドとして作用する。本実施形態においては、フランジ３５２は、固着機構３５６によって前縁部３５０に結合される。別の実施形態においては、フランジ３５２は、溶接（ただし、これに限定されない）などの他の任意の適切な結合機構を使用してケーシング２４に結合される。更に、別の実施形態においては、フランジ３５２及びケーシング２４は、互いに一体の部材として形成される。フランジ３５２とケーシング２４との間に、環状密封リング３５８が結合される。密封リング３５８の半径方向内側の端部３６０がノズル支持体２１０の前縁部３６２と係合して空洞部３００の密封を助けるように、密封リング３５８は、ノズル支持体２１０に向かって半径方向内側へ延在する。本実施形態においては、ノズル支持体の前縁部３６２は、密封リングの半径方向内側の端部３６０と係合する丸形突起部３６４を含む。丸形突起部３６４は、許容差及び過渡条件によって起こるケーシング２４とノズル支持体２１０との軸方向整列状態の変化に対応する確実な密封面を形成する。別の実施形態においては、密封アセンブリ３１２において、前縁部３６２はほぼ平坦であり、密封リングの半径方向内側の端部３６０は、前縁部３６２のほぼ平坦な部分と係合する。本実施形態においては、密封リング３５８は、固着機構３５６によってフランジ３５２とケーシング２４との間に結合される。別の実施形態においては、密封リング３５８は、他の任意の適切な結合機構を使用して、フランジ３５２とケーシング２４との間に結合される。

別の実施形態においては、フランジ３５２はノズル支持体２１０に結合されるか、又はノズル支持体２１０と一体に形成される。更に、その実施形態においては、密封リング３５８は、フランジ３５２とノズル支持体２１０との間に結合され、密封リング３５８の半径方向外側の端部がケーシング２４の前縁部３５０と係合するように、ケーシング２４に向かって半径方向外側へ延在する。そのような実施形態では、前縁部３５０は平坦であってもよいし、あるいは許容差及び過渡条件によるケーシング２４とノズル支持体２１０との軸方向整列を容易にする確実な密封面を形成するのを助けるために、前縁部３５０は、丸形突起部３６４に類似する丸形突起部を含んでもよい。更に、その実施形態においては、密封リング３５８は、任意の適切な結合機構を使用して、フランジ３５２とノズル支持体２１０との間に結合されてもよい。更に別の実施形態においては、タービンエンジン１０は、様々に異なる軸方向場所でケーシング２４とノズル支持体２１０との間に延在する複数の密封リング３５８を含む。

一実施形態においては、密封リング３５８は、一体に結合された２つの半円形部材から形成される。別の実施形態においては、密封リング３５８は１つの環状部材から形成される。更に別の実施形態では、密封リング３５８は、一部又は全体が重なり合う構成で一体に結合された複数の弓形部材から形成され、１つの環状部材又は１対の半円形部材を形成する。本実施形態においては、密封リング３５８がタービン１０の周囲にほぼ沿って延在するように、２つの半円形部材が配置される。加えて、本実施形態においては、密封リング３５８は、ケーシング２４及び／又はノズル支持体２１０の熱成長及び／又は軸方向成長に対応するのを助ける可撓性材料から製造される。例えば、一実施形態においては、密封リング３５８は、１２Ｃｒ（410SS）材料又は310SS（ステンレス鋼）から製造される。別の実施形態においては、密封リング３５８の摩耗を改善するために、密封リング３５８はコバルト系材料から製造される。

動作中、ノズル２１２からタービンチャンバ３１０の中へ蒸気が排出され、タービン回転子１６を回転させる。蒸気がタービン段を経て搬送される間、蒸気の一部は、他のタービン動作又はタービン動作とは異なる動作において使用されるために、タービン１０から抽出される。特に、蒸気は開口部３１４を経て抽出され、空洞部３００の中へ搬送される。ケーシング２４とノズル支持体２１０との間に形成された間隙を通って蒸気が失われないように、密封アセンブリ３１２は、蒸気を空洞部３００の内部に保持できるようにする。空洞部３００の中の蒸気は、ケーシング２４に形成されたポートを通って搬送され、タービン１０の外側の機械を動作させるために使用される。

密封アセンブリ３１２は、漏れがほぼ阻止されるように、ケーシング２４の前縁部及びノズル支持体２１０の前縁部において空洞部３００を密封するのを助ける。従って、蒸気は、タービン１０の下流側端部から又は１対の隣接するノズル支持体の間に形成される接合部から抽出されるばかりでなく、空洞部３００の中へ抽出され、空洞部３００の中に保持されることも可能である。ケーシング２４とノズル支持体２１０との間に形成される間隙を通して蒸気を失うことなく、空洞部３００が蒸気を受取れるようにすることにより、ノズル支持体２１０の任意の場所で蒸気を抽出できる。特に、開口部３１４を通して任意の場所で蒸気を抽出でき、開口部３１４は、タービン１０の任意の段に配置されてよい。従って、一体のノズル支持体を含めて、タービンから、より高圧及び／又は高温の蒸気を抽出できる。更に、複数の開口部３１４を使用することにより、タービン１０の種々の段から、様々な温度及び圧力で蒸気を抽出できる。その結果、他のタービンと比較して、タービンの組立て、保守及び動作に要する費用が回収される。更に、単一のノズル支持体を利用することにより、他のタービンと比較して、ノズル支持体の整列と関連する時間が短縮され、費用も低減される。

本明細書中において、「１つの」という用語の後に続いて単数扱いで述べられる要素又は工程は、特に明示して指示がない限り、その要素又は工程が複数存在する場合を除外しないものとする。更に、本発明の「一実施形態」という場合、列挙された特徴を同様に含む追加の実施形態の存在を除外するものとして解釈されない。

本明細書中で説明された装置及び方法は、蒸気タービンのノズル支持体及びシールに関連して説明されたが、装置及び方法は、ノズル支持体、シール又は蒸気タービンに限定されない。同様に、例示されたノズル支持体及びシールの構成要素は、本明細書中で説明された特定の実施形態に限定されず、ノズル支持体及びシールの構成要素は、本明細書中で説明された他の構成要素とは無関係に、別個に利用可能である。例えば、当業者には理解されるように、本発明は、任意の適切な回転自在の機械と組合わせて使用されてもよい。

種々の特定の実施形態に関連して本発明を説明したが、特許請求の範囲の趣旨の範囲内で変形を伴って本発明を実施できることは、当業者には認識されるであろう。

対向流蒸気タービンの一例を示した概略図である。 図１に示されるタービンと共に使用されるノズル支持体の一例を示した斜視図である。 図１に示されるタービンエンジンの一部を示した概略横断面図である。 図３に示される密封アセンブリの領域４に沿った拡大概略横断面図である。

符号の説明

１０…対向流蒸気タービンエンジン、２２…シェル、２４…シェルの上部半体部分（ケーシング）、２１０…ノズル支持体、２１２…ノズル、３００…空洞部、３１０…タービンチャンバ、３１２…密封アセンブリ、３１４…開口部、３１６…動翼段、３５２…フランジ、３５８…密封リング、３６４…丸形突起部

Claims (10)

1. 環状ケーシング（２４）と；
   前記ケーシングとの間に空洞部（３００）を形成するように、前記ケーシングから半径方向内側に配置された環状ノズル支持体（２１０）と；
   前記環状ケーシングの前縁部（３５０）及び前記ノズル支持体の前縁部（３６２）のうち少なくとも一方から延在するフランジ（３５２）と；
   前記フランジと前記ノズル支持体及び前記ケーシングのうち少なくとも一方との間に配置され、前記空洞部を密封するように前記ケーシングと前記ノズル支持体との間に延在するシールリング（３５８）とを具備するタービン（１０）。
2. 前記シールリング（３５８）は、複数の互いに重なり合う部分を具備する請求項１記載のタービン（１０）。
3. 前記シールリング（３５８）は、前記ノズル支持体（２１０）及び前記ケーシング（２４）のうち少なくとも一方の熱成長に対応する可撓性材料から形成される請求項１記載のタービン（１０）。
4. 前記ノズル支持体（２１０）は、前記ノズル支持体をほぼ半径方向に貫通する少なくとも１つの開口部（３１４）を具備する請求項１記載のタービン（１０）。
5. 前記少なくとも１つの開口部（３１４）は、周囲方向に延在するスロットを具備する請求項４記載のタービン（１０）。
6. 前記少なくとも１つの開口部（３１４）は、前記ノズル支持体（２１０）の周囲に沿って互いに離間して配置された複数の開口部を具備する請求項４記載のタービン（１０）。
7. 複数の動翼から成る少なくとも１つの動翼段（３１６）を更に具備し、前記少なくとも１つの開口部（３１４）は、前記動翼のうち１つとほぼ整列される請求項４記載のタービン（１０）。
8. 環状機械ケーシング（２４）との間に空洞部（３００）を形成するように、前記ケーシングから半径方向内側に配置された環状構成要素支持体アセンブリ（２１０）において、
   前記ケーシングの前縁部（３５０）及び前記支持体アセンブリの前縁部（３６２）のうち少なくとも一方から延在するフランジ（３５２）と；
   前記フランジと前記支持体アセンブリ及び前記ケーシングのうち少なくとも一方との間に配置され、前記空洞部を密封するように前記ケーシングと前記支持体アセンブリとの間に延在するシールリング（３５８）とを具備するアセンブリ（２１０）。
9. 前記シールリング（３５８）は、複数の互いに重なり合う部分を具備する請求項８記載のアセンブリ（２１０）。
10. 前記シールリング（３５８）は、前記構成要素支持体及び前記ケーシング（２４）のうち少なくとも一方の熱成長に対応する可撓性材料から形成される請求項８記載のアセンブリ（２１０）。

Images