JP2009019627A - 蒸気タービン動翼 - Google Patents

Abstract

【課題】 蒸気タービン用の動翼を提供する。
【解決手段】 本動翼は、根元部（２）と、根元部に隣接した翼形部（１０）とを備える。翼形部は、最適な流れ分布と最小限の遠心及び曲げ応力を生じつつ空力性能を最適化する形状とされる。本動翼は、翼形部と連続した先端部と、先端部の一部として形成されたカバー（５）も備える。カバーは、先端損失を最小限にするのに役立つ半径方向シールを画成する。本動翼は、５６２５〜１１２５０ｒｐｍの作動速度で作動することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は蒸気タービン用の動翼に関し、具体的には、作動速度を高めることのできる最適化ジオメトリの蒸気タービン用動翼に関する。

蒸気タービンの蒸気流路は固定シリンダとロータで形成される。シリンダには蒸気流路内に内向きに延びる多数の静翼が周方向に配列して取付けられる。同様に、ロータには蒸気流路内に外向きに延びる多数の動翼が周方向に配列して取付けられる。静翼と動翼は交互の列として配置され、静翼列とそのすぐ下流の動翼列が段を形成する。静翼は、蒸気流が下流の動翼列に正しい角度で流入するように蒸気流を方向付ける働きをする。動翼翼形部は蒸気からエネルギーを抽出して、ロータ及びロータに取付けられた負荷を駆動するのに必要な動力を発生する。

各動翼列で抽出されるエネルギー量は、動翼翼形部の寸法及び形状並びにその列の動翼の数に応じて決まる。従って、動翼翼形部の形状はタービンの熱力学的性能における重要な因子であり、動翼翼形部のジオメトリの決定はタービン設計の重要な部分をなす。

蒸気がタービンを流れる際、その圧力は、所望の吐出圧力が達成されるまで各段毎に低下する。そのため、蒸気特性、すなわち温度、圧力、速度及び含水量は、蒸気が流路を通って膨張する際に列毎に変化する。その結果、各動翼列には、その列に関する蒸気条件に応じて最適化された翼形部形状を有する動翼が用いられる。ただし、共振周波数を変化させるために列内の動翼間で翼形部形状を変化させるある種のタービンの場合を除いて、所定の列内での動翼翼形部の形状は同一である。

動翼翼形部は、ロータへの動翼の固定に用いられる動翼根元部から延びる。従来、これは、動翼根元部の両側に略軸方向に延びるタングと溝を交互に形成して根元部を樅の木状にすることによって達成される。ロータディスクに、対合タングと溝を有するスロットが形成される。動翼根元をディスクスロットに植設すると、動翼への遠心荷重（ロータの高い回転速度のため非常に高い）は、根元部とディスクとが接触するタング部分に沿って分散される。高い遠心荷重のため、動翼根元部及びディスクスロットにおける応力は非常に高い。従って、タング及び溝によって形成される応力集中を最小限にするとともに動翼根元部とディスクスロットとの接触力が生じる負荷面積を最大限にすることが重要である。これは低圧蒸気タービンの後段の列においては、これらの列での動翼の大きな寸法及び重量並びに蒸気流中の水分による応力腐食の存在のため、特に重要である。

動翼は、定常遠心荷重だけでなく、振動も受ける。

低圧セクションのタービン動翼は、通例、様々な用途で必要とされる所定の作動速度域をカバーするように設計・最適化される。主な作動パラメータは、環帯面積、回転速度、質量流量特性、及び最終段動翼については圧縮圧である。

蒸気タービン動翼の設計に関する問題は、翼形部の形状によって、動翼に加わる力とその機械的強度及び共振周波数、さらには動翼の熱力学的性能が大方決まるという事実によって複雑になる。これらの考慮事項が動翼翼形部形状の選択における制約となり、そのため、所定の列についての最適な動翼翼形部形状は、やむを得ずその機械的特性と空力特性との妥協となっている。
米国特許第５２６７８３４号明細書 米国特許第５２７７５４９号明細書 米国特許第５４８０２８５号明細書 米国特許第６５７５７００号明細書 米国特許第６８１４５４３号明細書 米国特許第７０９７４２８号明細書

そこで、遠心力による動翼翼形部及び根元への応力を最小限にするとともに共振励起を回避しつつ、良好な熱力学的性能を与える蒸気タービン動翼列を提供することが望まれる。

例示的な実施形態では、蒸気タービン用動翼は、根元部と根元部に隣接した翼形部とを備える。翼形部は、最適な流れ分布と最小限の遠心及び曲げ応力を生じつつ空力性能を最適化する形状とされる。本動翼は、翼形部と連続した先端部と、先端部の一部として形成されたカバーも備える。カバーは、先端損失を最小限にするのに役立つ半径方向シールを画成する。

別の例示的な実施形態では、蒸気タービン用動翼は、根元部と、根元部に隣接した翼形部とを備える。翼形部は、最適な流れ分布と最小限の遠心及び曲げ応力を生じつつ空力性能を最適化する形状とされる。本動翼は、翼形部と連続し先端幅を有する先端部と、先端部の一部として形成されたカバーも備える。カバーは、高速で隣接する動翼の隣接カバーと係合するように先端幅よりも幅広である。カバーは、先端損失を最小限にするのに役立つ半径方向シールを画成する。本動翼は、動翼の出口環帯面積が０．４６１ｍ²であり、動翼の作動速度範囲が５６２５〜１１２５０ｒｐｍであり、動翼の最大質量流量が３０．９ｋｇ／ｓとなるように構成される。

図１及び図２を参照すると、蒸気タービン用の動翼は根元部２を備えており、根元部２はタービンロータに連結するための軸方向挿入式ダブテール３に連結される。図示したように、ダブテール３は、２フック型樅の木形状を有する。係属中の米国特許出願の発明に係る軸方向挿入式ダブテールのジオメトリは、過速度及びＬＣＦ（低サイクル疲労）マージンのための適正な保護を保証する平均及び局所的応力分布が得られるように最適化されている。

翼形部１０は根元部２から延び、先端部４は翼形部１０と連続している。図３及び図４に示すように、カバー５は先端部４の一部として形成される。

３０．９ｋｇ／ｓの最大質量流量及び０．４６１ｍ²の出口環帯面積と共に５６２５〜１１２５０ｒｐｍの作動速度に適応させるため、翼形部ジオメトリを最適化するためのコンピューター流体力学計算を実行した。当業者には自明であろうが、質量流量及び環帯面積は重要な設計パラメータである。「出口環帯面積」は、動翼ダブテールの上端で画成される底部と、カバー下面で画成される上部とで形成される環状形の面積である。最適ジオメトリによって、作動速度の高速化に適応すると同時にそれに付随する応力及び振動数の増大を回避することができる。具体的には、翼形部１０は、最適なピッチ／幅比で配設される。さらに、翼形部１０に沿った厚さ分布は、従来の構成から性能を最適化するように修正される。さらに、翼形部１０の湾曲は、高速作動に起因する圧力及び衝撃損失を低減するように調整される。翼形部のスタッキングは、動翼の遠心捩れに起因する静翼根元部局所応力が最小限となるように最適化される。

図３及び図４は、それぞれ上面図及び側面図で動翼カバー５を示す。カバー５は好ましくは動翼と共に機械加工され、先端部４と一体をなす。カバー５は、漏れ制御を与えるため動翼で機械加工された１以上、好ましくは２つの先端シール１２及び円筒形表面を有する。

図４に示すように、カバー５は、先端部４の幅よりも広い幅に構成される。この構成は動翼の捩れと共に、隣り合う動翼のカバー接触面間の初期間隙を画成する。この間隙は、高速時に、動翼の捩れの戻りによって生じるカバーの回転のため閉じられる。隣接動翼のカバー同士が係合すると、動翼は、独立設計に比べて、優れた剛性及び減衰特性を示す単一の連続結合構造体のように挙動して、非常に低い振動応力を生じる。すなわち、隣接動翼間の係合カバーは、タービンホイールの外周部の周りにカバーバンド又はシュラウドを形成して、作動流体を特定の流路内に閉じ込め動翼の剛性を増大させる。

本明細書に記載した蒸気タービン動翼は、大幅に向上した空力及び機械的性能並びに効率をもたらすと同時に、先端損失を最小限にする半径方向シール作用を有し、最小限の遠心及び蒸気曲げ応力、振動応力を最小限にする連続結合カバー設計、効率損失の低下、並びに最適流れ分布をもたらすカバーを備える。従って、タービン動翼は、より高い作動速度で効率的に作動することができる。

現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態を参照し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、特許請求の範囲の技術的思想及び技術的範囲に属する様々な変更及び均等な構成を保護するものである。

蒸気タービン動翼の正面図。 蒸気タービン動翼の斜視図。 蒸気タービン動翼の動翼カバーの上面図。 動翼先端及びカバーを示す図。

符号の説明

２ 根元部
３ 軸方向挿入式ダブテール
４ 先端部
５ カバー
１０ 翼形部
１２ 先端シール

Claims (10)

1. 蒸気タービン用の動翼であって、
   根元部（２）と、
   根元部に隣接した翼形部（１０）であって最適な流れ分布と最小限の遠心及び曲げ応力を生じつつ空力性能を最適化する形状の翼形部（１０）と、
   翼形部と連続した先端部（４）と、
   先端部の一部として形成されたカバー（５）であって先端損失を最小限にする半径方向シールを画成するカバー（５）と
   を備える動翼。
2. ０．４６１ｍ²の出口環帯面積を有する、請求項１記載の動翼。
3. 当該動翼の作動速度範囲が５６２５〜１１２５０ｒｐｍである、請求項２記載の動翼。
4. 最大質量流量が３０．９ｋｇ／ｓである、請求項３記載の動翼。
5. 当該動翼の作動速度範囲が５６２５〜１１２５０ｒｐｍである、請求項１記載の動翼。
6. 当該動翼が最終段動翼として作動するように設計されたものである、請求項１記載の動翼。
7. 前記カバー（５）が高速で隣接する動翼の隣接カバーと係合する寸法を有する、請求項６記載の動翼。
8. 前記カバー（５）が先端部（４）と一体である、請求項１記載の動翼。
9. 前記半径方向シールが少なくとも先端シール（１２）を含む、請求項１記載の動翼。
10. 蒸気タービン用の動翼であって、当該動翼が、
    根元部（２）と、
    根元部に隣接した翼形部（１０）であって最適な流れ分布と最小限の遠心及び曲げ応力を生じつつ空力性能を最適化する形状の翼形部（１０）と、
    翼形部と連続し先端幅を有する先端部（４）と、
    先端部の一部として形成されたカバー（５）であって先端損失を最小限にする半径方向シールを画成するカバー（５）と
    を備えており、上記カバーが高速で隣接する動翼の隣接カバーと係合するように先端幅よりも幅広であり、動翼の出口環帯面積が０．４６１ｍ²であり、動翼の作動速度範囲が５６２５〜１１２５０ｒｐｍであり、動翼の最大質量流量が３０．９ｋｇ／ｓである、動翼。

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