JP2008057535A - 蒸気タービンエンジン内の水分を除去する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービンエンジン内の水分を除去する装置に関し、特に、蒸気タービンの外側壁に沿って水分除去溝を設けて蒸気流路から水滴を除去する装置を提供する。
【解決手段】蒸気タービン内において蒸気タービンの流路から水滴を除去する装置であって、水滴を回収する溝１１５と、溝１１５内に始点を置く複数個の水分除去穴１１６とを含みうる装置。溝１１５は、蒸気タービンの外側壁１０８のまわりにおいて周方向の態様に延在するとともに、軸方向にノズル１０４の上流において、かつノズルの前縁部に近接して配置され、かつ前縁部においてゆるやかな斜面を、後縁部において急勾配の壁部を有しうる。水分除去穴１１６は、溝内において回収される水滴がそれを通って流出しうる、外側壁１０８を貫通するチャネルとされる。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に蒸気タービンエンジン内の水分を除去する装置に関する。特に、本発明は、蒸気タービンの外側壁に沿って水分除去溝を設けて蒸気流路から水滴を除去する装置に関するが、これに制限されるわけではない。

蒸気タービンの流路を通って移動する水滴は、少なくとも２つの重大な問題を創出する。第１に、前記蒸気タービン流路内における水滴の存在は、段効率を低下させる。第２に、このような水分は、特にタービンの最終段におけるタービン翼または動翼の早期腐食を引き起こす。

蒸気タービンの最終段におけるタービン翼の腐食は、共通の課題である。一般に、腐食は、水分と高い回転速度とタービンのこの領域において見られる温度との組合せによって引き起こされる。このようなタービン翼の腐食と劣化とを防ぐための従来の方策は、高費用を要する一方で、大体において非効果的であることが立証された。たとえば、ある方策は、蒸気タービン内の極端な条件に対してより優れた耐性を有するタービン翼を製造することに主眼を置くものである。タービン翼は、最も影響を受ける部分（一般にタービン翼の先端部の前縁部を含む）において、製造時に硬化せしめられるか、または随伴シールドが配設される。このような試みは、タービン翼の腐食を短期間にわたって食い止めうる一方で、蒸気タービン内における極端な運転条件によって、腐食は必然的に再発する。加えて、こうした試みは、タービン翼の複雑さと費用とを増加させる。

その他の保護的な方策は、蒸気流路から水分を除去して、タービン翼と接触する水滴が減少するようにすることに主眼を置くものであった。この戦略を用いた従来装置は、一般に、蒸気タービンのケーシング壁面内の排水機構を介するか、または中空の静翼またはノズル内に設けられる吸込スロットを介して水分を除去することに主眼を置いている。たとえば、いくつかの周知の装置は、ノズルの圧力または吸込側の吸込スロットを用いて水分を除去しようとするものである。その他の従来式装置は、タービン翼の先端部に非常に近接する位置において水分を除去することに主眼を置いている。それでもやはり、蒸気タービン流路内の水分は、なお課題として残っている。
米国特許第３，３０１，５２９号公報 米国特許第５，９８４，６２８号公報

このため、蒸気タービンエンジン内の水分を除去する装置を改良することが必要とされている。

よって、本発明は、蒸気タービン内の装置において、蒸気タービンの流路から水滴を除去する、水分回収器を含みうる装置を提供しうる。この水分回収器は、蒸気タービンの外側壁に配置されるとともに、軸方向にノズルの上流において、かつ該ノズルの先端部に近接して配置される。前記外側壁は、タービン翼とノズルとの間において蒸気の外側流路を形成しうる。タービン翼とノズルとの間における軸方向距離は、少なくとも約０．４ｍでありうる。

いくつかの実施例において、前記水分回収器は、溝を含みうる。この溝は、蒸気タービンの運転時において水滴の流れに対して実質的に垂直に整合せしめられうる。この溝は、前縁部においてゆるやかな斜面を、後縁部において急勾配の壁部を有しうる。前記溝の半径方向の深さは、約０．００３２〜０．００９４ｍとされうる。前記溝は、一般に外側壁のまわりに配置される周方向溝とされうる。その他の実施例において、前記溝は、外側壁のまわりにおいて断続的に延在する周方向溝とされうる。前記溝とノズルの前縁部との間における軸方向距離は、約０．０２５〜０．１２７ｍとされうる。前記溝は、該溝が外側壁のまわりにおいて形成する流路の大部分に沿って、外側壁の全厚さを貫通して延在しうる。この水分回収器は、複数個の溝を含みうる。複数個の各溝間における軸方向距離は、約０．０１２７〜０．０３８１ｍとされうる。

前記水分回収器は、さらにまた、複数個の水分除去穴を含みうる。各々の水分除去穴は、外側壁を貫通するチャネルとされ得、このチャネルを介して、前記溝内において回収される水滴が除去されうる。これらの水分除去穴は、前記溝内において、半径方向最外側位置に配置されうる。前記水分除去穴は、該水分除去穴が外側壁を通過するときに下流方向に傾斜しうる。外方吸引力が水分除去穴に加えられて、水滴は、前記チャネルを通って外側壁を介して吸い出されうる。

いくつかの実施例において、前記水分回収器は、複数個のポケットを含みうる。各々のポケットは、実質的に円形状の陥没部を含み得、各々の実質的に円形状の陥没部は、前縁部においてゆるやかな斜面を、後縁部において急勾配の壁部を含みうる。いくつかの実施例においては、各々のポケットは、幅広の前縁部と幅狭の後縁部とを含む先細状ポケットとされうる。

本発明は、さらにまた、蒸気タービン内の装置において、水滴を回収する溝と前記溝内に始点を置く複数個の水分除去穴とを含みうる、蒸気タービンの流路から水滴を除去する装置を提供しうる。前記溝は、蒸気タービンの外側壁のまわりにおいて周方向の態様に延在するとともに、軸方向にノズルの上流において、かつ該ノズルの前縁部に近接して配置され、かつ前縁部においてゆるやかな斜面を、後縁部において急勾配の壁部を有しうる。前記水分除去穴は、外側壁を貫通するチャネルとされ得、このチャネルを通って、溝内において回収される水滴が流出しうる。

本発明の前記およびその他の特徴は、図面および添付の特許請求の範囲とともに、以下の好適な実施例の詳細な説明を検討することにより明らかになろう。

次に、さまざまな符号がいくつかの図を通して同様の部分を示す図を参照すると、図１に、本発明の例証的な実施例にしたがった水分除去装置１００を内蔵する蒸気タービン段の断面図が示されている。図１には、第１のタービン翼１０２（先行タービン段の一部分をなす）とノズル１０４と第２のタービン翼１０６（後続の下流側タービン段を構成する）とを含む、蒸気タービン内の２つの段が部分的に示されている。水分除去装置１００は、蒸気タービン内のいかなる段間においても用いられうるが、主として、後半の段において用いられうる。たとえば、いくつかの実施例では、第１のタービン翼１０２は、最後から２番目の段のタービン翼であり得、第２のタービン翼１０６は、蒸気タービンの最後の段のタービン翼でありうる。

一般に、従来のタービン設計は、相対的に大きい軸方向距離が、第１のタービン翼１０２とノズル１０４との間において維持されるような設計である。一般に、この距離は、約０．４ｍとされうる（この大きさは、一般に最後の段のタービン翼の長さによって変動する。この距離が０．４ｍの場合、最後の段のタービン翼の長さは、約１．２ｍと推測される。）。外側壁１０８は、この距離にわたって、タービンの蒸気路を外囲しうる。図１に図示されているように、矢印は、タービン段を通る蒸気の流路と、存在しうる水滴の流れとを示す。下流方向を向く蒸気矢印１０は、蒸気の大まかな流路を示す。複数個の水滴矢印１１２は、流路内に存在しうる水滴の自然の流れを示す。

水滴は、水滴矢印１１２により示されるように、第１のタービン翼１０２から外側壁１０８へと流れうる。これは、第１のタービン翼１０２の回転と、流路内において作用するその他の力とによって引き起こされうる。すなわち、少なくとも部分的に、第１のタービン翼１０２の極限の回転速度が、本質的に水滴を該水滴が回収されうる外側壁１０８の方へと「振り飛ばし」または「付勢し」うる。さらにまた水滴矢印１１２により示されているように、一旦外側壁１０８上に到達すると、水滴は、外側壁１０８に沿ってノズル１０４の方へと移動しうる。この移動は、水滴の集積と蒸気流の下流方向への付勢作用との両方によって引き起こされうる。このように、運転時において、第１のタービン翼１０２とノズル１０４との間において維持される相対的に大きい距離と蒸気流路内における水滴の自然の流れとが、外側壁１０８に沿った水滴の集積と該集積物のノズル１０４の方への移動とをもたらしうる。

前記のように、集積した水分をノズル１０４および後続のタービン翼に到達させてしまうと、前記水分は、タービン翼の腐食を引き起こしうるとともに、潜在的にタービン効率を低下させうる。したがって、図２により詳細に示されるように、水分回収器１１４が、外側壁１０８に沿ってノズル１０４の前縁部に近接して配置されうる。この水分回収器１１４を用いると、以下に説明されるように、集積した水分は、ノズル１０４、タービン翼１０６またはいずれかの後続段のノズルまたはタービン翼に到達する前に除去されうる。

前記水分回収器１１４には、いくつかの実施例が含まれる。これらの実施例のいくつかにおいて、水分回収器１１４は、以下では水分除去溝１１５とされる１個の溝またはスロット、またはいくつかの溝またはスロットを含みうる。この水分除去溝１１５は、タービンを通る蒸気の流れと外側壁１０８に沿った集積水の流れとに対して実質的に垂直に延在する外側壁１０８内の陥没部とされうる。水分除去溝１１５の半径方向の深さは、約０．００３２〜０．００９４ｍとされうる。図３に図示されているように、水分除去溝１１５は、自身の前縁部においてゆるやかな斜面を、自身の後縁部において急勾配の壁部を含みうる。ゆるやかな斜面は、外側壁１０８の平面との間において約５°〜１０°の範囲内の角度をなす斜面と定義されうる。急勾配の壁部は、外側壁１０８の平面との間において約８０°〜１００°の角度をなす斜面と定義されうる。

水分除去溝１１５は、外側壁１０８のまわりにおいて周方向の態様に延在しうる。いくつかの実施例では、この水分除去溝１１５は、外側壁１０８のまわりにおいて周方向の態様に断続的に延在しうる。水分除去溝１１５の断続的な配置は、各々のノズル１０４の周方向の位置に対応しうる。水分除去溝１１５とノズル１０４の前縁部との間における軸方向距離は、相対的に小さい距離とされうる。たとえば、水分除去溝１１５とノズル１０４の前縁部との間における軸方向距離は、約０．０２５〜０．１２７ｍとされうる。水分回収器１１４は、単一の、または互いに対して実質的に平行である複数個の水分除去溝１１５を含みうる。複数個の水分除去溝１１５の場合は、前記溝１１５は、約０．０１２７〜０．０３８１ｍの間隔を有して配置されうる。当業者には、これらの特定の構成および大きさは、開示の本発明が用いられる用途によって有意に変動しうることが理解されよう。

水分回収器１１４は、さらに、図３により詳細に示されるように、外側壁１０８を貫通するチャネルまたは孔部となって水分除去溝１１５内に集積する水分を排出しうる水分除去穴１１６を含みうる。この水分除去穴１１６は、水分除去溝１１５の半径方向最外側位置に配置されうる。したがって、いくつかの実施例においてゆるやかな上流側の斜面と急勾配の下流側の壁部とが設けられる場合は、水分除去穴１１６は、図示されているように、水分除去溝１１５の下流側縁部寄りに配置されうる。この始点位置から、図示されているように、水分除去穴１１６は、下流方向に角度をなし、すなわち図３に示されるように孔部がそこから外側壁１０８を貫通するときに下流方向に傾斜しうる。図４に図示されているように、いくつかのまた他の実施例において、水分除去穴１１６は、水分除去溝１１５の周方向の流路にわたって一定の間隔をおいて配置されうる。たとえば、隣接する水分除去穴１１６間における距離は、約０．００５１〜０．０３８１ｍとされうる。前記および図４に示されるように、水分除去溝１１５は、矢印１１８により示される方向の、タービンを通る蒸気の流れに対して略垂直に延在しうる。

また他の実施例において、水分除去溝１１５は、外側壁１０８の全厚さを貫通して延在しうる。このような実施例では、接続構造（図示せず）が、水分除去溝１１５を断続的に中断して、水分除去溝１１５の上流にある外側壁１０８と水分除去溝１１５の下流にある外側壁１０８とを接続しうる。

加えて、いくつかのさらに他の実施例では、図５に図示されているように、水分回収器１１４は、水分除去溝１１５の代わりまたは追加として用いられうる複数個の水分回収ポケット１２０を含みうる。これらの水分回収ポケットは、外側壁１０８の面内において実質的に円形状の陥没部を形成しうる。水分回収ポケットの側部は、下方に該ポケット内の深部点（すなわちロータから半径方向最遠距離にある点）の方へと湾曲しうる。この深部点は、水分回収ポケット１２０の後縁部寄りに配置されて、水分回収ポケット１２０の断面が図３に示される水分除去溝１１５の断面と同様になるようにもされうる（すなわち水分回収ポケット１２０は、自身の前縁部においてゆるやかな斜面を、自身の後縁部において急勾配の壁部を含みうる）。このような実施例において、水分除去穴１１６は、前記深部点に配置されうる。各々の水分回収ポケット１２０のおおよその直径は、約０．００８９〜０．０３０５ｍとされうる。

図６に、水分回収ポケットのまた他の実施例である先細状の水分回収ポケット１３０が図示されている。この先細状の水分回収ポケット１３０は、外側壁１０８の面内において、幅広の前縁部１３２と幅狭の後縁部１３４とを有する陥没部を形成しうる。先細状水分回収ポケット１３０の側部は、該ポケット内において下方に深部点（すなわちロータから半径方向最遠距離にある点）の方へと湾曲しうる。この深部点は、先細状水分回収ポケット１３０の幅狭後縁部１３４寄りに配置されて、先細状水分回収ポケット１３０の断面が図３に示された水分除去溝１１５の断面と同様になるようにされうる（すなわち、先細状水分回収ポケット１３０は、自身の幅広前縁部１３２においてゆるやかな斜面を、自身の幅狭後縁部１３４において急勾配の壁部を含みうる）。このような実施例においては、水分除去穴１１６は、前記深部点に配置されうる。

さらに図５および６に図示されているように、水分回収ポケット１２０、１３０は、外側壁１０８のまわりにおいて周方向の態様に一定の間隔をおいて配置されうる。隣接する水分回収ポケット１２０、１３０間における周方向距離は、約０．００５１〜０．０３８１ｍとされうる。ポケットとノズル１０４の前縁部との間における軸方向距離は、水分除去溝１１５に関する説明と同様とされ得、多数の列をなす水分回収ポケットも用いられうる。当業者には、これらの特定の構成および大きさは、開示の本発明が用いられる用途によって変動しうることが理解されよう。

運転時において、水滴は、蒸気タービンの段、特に後半の段において形成されうる。水滴は、第１のタービン翼１０２等の回転するタービン翼と接触しうる。タービン翼の回転速度と蒸気タービン内におけるその他の力とが、水滴を外側壁１０８の方へと付勢し、または流動させうる。水分は、外側壁１０８上に集積するとともに、継続的な集積と蒸気流の方向とにより、外側壁１０８に沿って次の段の下流のノズル、すなわちノズル１０４の方へと付勢されうる。

集積した水分は、外側壁１０８に沿って移動するときに、後続のタービン段のノズル１０４の前縁部に近接して配置されうる水分回収器１１４に遭遇しうる。水分は、この水分回収器１１４（例示として、前記のように、外側壁１０８を貫通して延在する水分除去溝１１５、水分除去穴１１６に結合される水分除去溝１１５または水分除去穴１１６に結合される水分回収ポケット１２０、１３０でありうる）内に流入するとともに、外側壁１０８を介して流出しうる。蒸気流路内において作用するある一定の力が、この流れを補助しうる。たとえば、外側壁の前記部分に沿った軸方向の蒸気圧の低下が、集積した水分を付勢して水分回収器１１４内に流入させるとともに、該回収器を介して流出させて、以って水分を蒸気流路から除去しうる。いくつかの実施例では、外方吸引力が、従来方法により、水分除去穴１１６に加えられて、チャネルを介して水分を吸い出すとともに、水分除去プロセスを補助しうる。これは、たとえば、水分除去穴１１６の上に周方向チャンバを構成するとともに、この周方向チャンバを凝縮器に接続することによって達成されうる。凝縮器は、はるかに低い圧力にあるため、水分除去穴１１６を介して真空が創出される。水分は、一旦外側壁１０８を通って吸い出されると、外側壁１０８の外側のまわりにおいてタービン段の底部まで流動し、前記底部においてドレン内へと回収されて、従来方法によりタービンから水分を除去することができるようになる。

本発明の好適な実施例の前記説明から、当業者には、改良、変更および改変が考えられよう。当該技術の範囲内におけるこのような改良、変更および改変は、添付の特許請求の範囲により網羅されることが意図されている。さらに、前記説明が本発明の前記実施例のみに関するものであり、数多くの変更および改変が、以下の特許請求の範囲に記載の本発明およびその同等物の精神および範囲から逸脱することなしに行なわれうることは明らかである。

本発明の実施例が作用しうる例証的な蒸気タービン段の略断面図である。 本発明の例証的な実施例にしたがった水分回収器の略断面図である。 本発明の例証的な実施例にしたがった水分回収器の略断面図である。 本発明の例証的な実施例にしたがった水分回収器を有する蒸気タービンの外側壁の一部分の半径方向外側の略図である。 本発明のまた他の実施例にしたがった水分回収器を有する蒸気タービンの外側壁の一部分の半径方向外側の略図である。 本発明のさらにまた他の実施例にしたがった水分回収器を有する蒸気タービンの外側壁の一部分の半径方向外側の略図である。

符号の説明

１００ 水分除去装置
１０２ 第１のタービン翼
１０４ ノズル
１０６ 第２のタービン翼
１０８ 外側壁
１１０ 蒸気矢印
１１２ 水滴矢印
１１４ 水分回収器
１１５ 水分除去溝
１１６ 水分除去穴
１１８ 矢印
１２０ 水分回収ポケット
１３０ 先細状水分回収ポケット
１３２ 前縁部
１３４ 後縁部

Claims (10)

1. 蒸気タービン内において該蒸気タービンの流路から水滴を除去する装置であって、
   蒸気タービンの外側壁（１０８）内に配置されるとともに、ノズル（１０４）の軸方向上流に且つ該ノズルの前縁部に近接して配置される水分回収器（１１４）を含む装置。
2. 前記外側壁（１０８）は、タービン翼（１０２）と前記ノズル（１０４）との間において蒸気の外側流路を形成し；
   前記タービン翼（１０２）と前記ノズル（１０４）との間における軸方向距離は、少なくとも０．４ｍである請求項１に記載の装置。
3. 前記水分回収器（１１４）は、蒸気タービンの運転時において水滴の流れに対して略垂直に整合せしめられる溝（１１５）を含む請求項１に記載の装置。
4. 前記溝（１１５）は、前縁部においてゆるやかな斜面を、後縁部において急勾配の壁部を含む請求項３に記載の装置。
5. 前記水分回収器（１１４）は、さらに、複数個の水分除去穴（１１６）を含み、各々の前記水分除去穴（１１６）は、前記溝（１１５）内において回収される前記水滴がそれを介して除去されうる、前記外側壁（１０８）を貫通するチャネルを含む請求項３に記載の装置。
6. 外方吸引力が前記水分除去穴（１１６）に加えられて、前記水滴が前記チャネルを通って前記外側壁を介して吸い出される請求項５に記載の装置。
7. 前記水分回収器（１１４）は、複数個のポケット（１２０）を含む請求項１に記載の装置。
8. 各々の前記ポケット（１２０）は、略円形状の陥没部からなり、各々の前記略円形状の陥没部は、前縁部においてゆるやかな斜面を、後縁部において急勾配の壁部を含む請求項７に記載の装置。
9. 各々の前記ポケットは、幅広の前縁部（１３２）と幅狭の後縁部（１３４）とを含む先細状ポケット（１３０）からなる請求項７に記載の装置。
10. 前記水分回収器（１１４）は、さらに、複数個の水分除去穴（１１６）を含み、各々の前記水分除去穴（１１６）は、前記ポケット（１２０）内において回収される前記水滴がそれを介して除去されうる、前記外側壁（１０８）を貫通するチャネルからなり；
    前記水分除去穴（１１６）は、前記ポケット（１２０）内において半径方向最外側位置に配置される請求項７に記載の装置。

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