JP2009019631A - 蒸気タービン動翼 - Google Patents

Abstract

【課題】 遠心力による動翼翼形および根元に対する応力を最小限にするとともに、共鳴励起を回避しつつ、良好な熱力学的性能を呈する蒸気タービン動翼の列を提供する。
【解決手段】 蒸気タービンの動翼は、根元部（２）と、該根元部と連続した翼形部（１０）とを含む。該翼形部は、最適化された流速分布と最小の遠心および曲げ応力を提供しつつ、空気力学的性能を最適化するように成形される。動翼はまた、翼形部と連続した翼端部（４）と、該翼端部の一部として形成されたカバー（５）とを含む。該カバーは、翼端損失を最小限にする働きをするラジアルシールを画定する。動翼は、５６２５〜１１２５０毎分回転数の運転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の動翼に関し、より詳細には、運転速度を増加させることが可能な最適化された幾何学的形状を有する蒸気タービンの動翼に関する。

蒸気タービンの蒸気流路は、固定シリンダとロータによって形成される。多数の動翼がシリンダに円周配列で取り付けられ、蒸気流路内を内方に延在している。同様に、多数の動翼がロータに円周配列で取り付けられ、蒸気流路内を外方に延在している。静翼および動翼は、静翼の列とすぐ下流の動翼の列が段を形成するように、交互の列で配列されている。静翼は、蒸気の流れが適当な角度で下流の動翼の列に入るように、蒸気の流れを案内する働きをする。動翼翼形が蒸気からエネルギーを抽出することによって、ロータとそれにかけられた荷重を駆動するのに必要な動力を発生させる。

動翼の各列によって抽出されたエネルギーの量は、列にある動翼の数量だけでなく、動翼翼形の寸法と形状によって決まる。したがって、動翼翼形の形状はタービンの熱力学的性能における重要な要素であり、動翼翼形の幾何学的形状の決定はタービン設計の重要な部分である。

蒸気がタービン内を流れる間、蒸気の圧力は所望の吐出圧力が得られるまで各々の連続する段を通って降下する。したがって、蒸気特性、すなわち温度、圧力、速度および含水率は、蒸気が流路内に広がるにつれて列ごとに変化する。そのため、各動翼列は、その列に関する蒸気条件に対して最適化された翼形形状を有する動翼を使用する。しかしながら、共振振動数を変化させるために、翼形形状を列内の動翼の間で変更する特定のタービンを除いて、所定の列内の動翼翼形形状は同一である。

動翼翼形は、動翼をロータに固定するのに使用される動翼根元から延在する。これは従来的に、動翼根元の両側に沿ってほぼ軸方向に延在する交互のタングとグルーブを形成して、根元にもみの木形状をもたせることによって実現される。噛み合うタングとグルーブを有するスロットが、ロータディスクに形成される。動翼根元がディスクスロット内に摺動すると、ロータの高回転速度によって非常に高くなる、動翼に対する遠心荷重が、根元とディスクが接するタングの部分に沿って分配される。高い遠心荷重のために、動翼根元とディスクスロットへの応力が非常に高くなる。したがって、タングとグルーブによって形成される応力集中を最小限にすることと、動翼根元とディスクスロットの間に接触力が発生する接地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方の列において特に重要であるが、それはこれらの列内の動翼の寸法と重量が大きいためであり、また蒸気流内の水分による応力腐食が存在するためである。

定常遠心荷重に加えて、動翼は振動の影響も受けやすい。

低圧部の回転タービン動翼は、一般的にさまざまな用途で要求される所定の運転速度をカバーするように設計され、最適化される。主な運転パラメータは、環帯面積、回転速度、質量流量容量、最終段の動翼に対しての凝縮圧力などである。

蒸気タービン動翼の設計に関する問題は、翼形形状が大部分において、動翼の熱力学的性能だけでなく、動翼にかかる力とその機械的強度および共振振動数の両方を決定するという事実によって悪化する。これらを考慮することによって動翼翼形形状の選択に関する制約が生まれるため、必然的に、所定の列に対する最適な動翼翼形形状に関してはその機械的特性と空気力学的特性の間の妥協が問題となる。
米国特許第５，２６７，８３４号公報 米国特許第５，２７７，５４９号公報 米国特許第５，４８０，２８５号公報 米国特許第６，５７５，７００号公報

したがって、遠心力による動翼翼形および根元に対する応力を最小限にするとともに、共鳴励起を回避しつつ、良好な熱力学的性能を呈する蒸気タービン動翼の列を提供することが望ましい。

例示的実施形態において、蒸気タービンの動翼は、根元部と、該根元部と連続した翼形部とを含む。該翼形部は、最適化された流速分布と最小の遠心および曲げ応力を提供しつつ、空気力学的性能を最適化するように成形される。該動翼はまた、該翼形部と連続した翼端部と、該翼端部の一部として形成されたカバーとを含む。該カバーは、翼端損失を最小限にする働きをするラジアルシールを画定する。

別の例示的実施形態において、蒸気タービンの動翼は、根元部と、該根元部と連続した翼形部とを含む。該翼形部は、最適化された流速分布と最小の遠心および曲げ応力を提供しつつ、空気力学的性能を最適化するように成形される。該動翼はまた、該翼形部と連続し、翼端幅を有する翼端部と、該翼端部の一部として形成されたカバーとを含む。該カバーは、該カバーが隣接する動翼の隣接するカバーに素早く係合するように、該翼端幅よりも広くなっている。該カバーはまた、翼端損失を最小限にする働きをするラジアルシールを画定する。該動翼は、該動翼の出口環帯面積が０．１４３ｍ^２であり、該動翼の運転速度範囲が５６２５〜１１２５０毎分回転数であり、該動翼の最大質量流量が３０．９ｋｇ／ｓであるように構成される。

図１および図２を参照すると、蒸気タービンの動翼は、タービンロータに接続するための軸方向入口ダブテール３に接続された根元部２を含む。図示のように、ダブテール３は２つのかぎ形のもみの木形状を有する。同時継続米国特許出願の主題は、軸方向入口ダブテールの幾何学形状が、過速度やＬＣＦ（低サイクル疲労）限界の十分な保護を保証する平均および局部応力の分布を得るように最適化されたことである。

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

３０．９ｋｇ／ｓの最大質量流量と０．１４３ｍ^２の出口環帯面積とともに、５６２５〜１１２５０毎分回転数の範囲の運転速度に適応させるために、計算流体力学を実行して翼形の幾何学形状を最適化する。質量流量と環帯面積は、当業者には理解できるように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面によって底部が、カバーの底面によって頂部が形成された環状形状の面積である。最適化された幾何学形状は、応力と振動数関連の付随する増加を回避しつつ、高い運転速度に適応させることができる。特に、翼形部１０は幅比率に対する最適ピッチを備えている。さらに、翼形部１０に沿った厚み分布は、性能を最適化するために従来構造から修正される。またさらに、翼形部１０の曲率は、高速運転による圧力と衝撃損を減少させるように調節される。翼形部のスタッキングは、動翼の遠心ねじりによって生じる動翼根元の局部応力を最小限にするように最適化される。

図３および図４は、それぞれ動翼カバー５の上面図および側面図を示す。カバー５は好ましくは動翼とともに機械加工され、したがって翼端部４と一体的になる。カバー５は、少なくとも１つ、好ましくは２つの翼端シール１２と、動翼上に機械加工された円筒面とを含んでおり、漏れ制御を行う。

図４に示すように、カバー５は翼端部４の幅よりも幅広に構成される。この構成は動翼のねじりとともに、隣接する動翼のカバー接触面の間の初期間隔を画定する。この間隔は、動翼のねじり戻りでカバーが回転することによって、素早く閉じられる。隣接する動翼のカバーが互いに係合すると、動翼は独立設計と比べた場合に、優れた剛性と制動特性を呈する単一の連続結合構造のように作用して、振動応力が非常に低くなる。すなわち、隣接する動翼間で係合したカバーは、タービン翼車の外周を取り巻くカバーバンドまたはシュラウドを形成して、十分に画定された経路内で作動流体を制限するとともに、動翼の剛性を向上させる。

本明細書で説明した蒸気タービン動翼は、翼端損失を最小限にするためのラジアルシールを有するカバーも含んでおり、遠心および蒸気曲げ応力を最小にし、振動応力を最小限にするための連続結合カバー設計を有し、効率損失を減少させ、流速分布を最適化しながら、著しく向上した空気力学的かつ機械的性能および効率を提供する。そのため、タービン動翼は高い運転速度で効率的に作動することができる。

本発明は現在考えられる最も実践的かつ好適な実施形態に関して説明してきたが、本発明は開示の実施形態に限定されるべきではなく、むしろ反対に、添付の請求項の精神および範囲内に含まれるさまざまな修正形態および同等の構成を保護することを目的としていることを理解されたい。

蒸気タービン動翼の正面図である。 蒸気タービン動翼の斜視図である。 動翼カバーの上面図である。 動翼翼端とカバーを示す図である。

符号の説明

２ 根元部
３ ダブテール
４ 翼端部
５ カバー
１０ 翼形部
１２ 翼端シール

Claims (9)

1. 蒸気タービンの動翼であって、
   根元部（２）と、
   該根元部と連続した翼形部（１０）であって、最適化された流速分布と最小の遠心および曲げ応力を提供しつつ、空気力学的性能を最適化するように成形される該翼形部（１０）と、
   該翼形部と連続した翼端部（４）と、
   該翼端部の一部として形成されたカバー（５）であって、翼端損失を最小限にするラジアルシールを画定する該カバー（５）とからなる、
   前記蒸気タービンの動翼。
2. ０．１４３ｍ^２の出口環帯面積を有する、請求項１に記載の動翼。
3. 運転速度範囲が５６２５〜１１２５０毎分回転数である、請求項１又は２に記載の動翼。
4. ３０．９ｋｇ／ｓの最大質量流量を有する、請求項１乃至３のいずれか1項に記載の動翼。
5. ２番目から最終段の動翼として作動するように設計される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の動翼。
6. 該カバー（５）は、該カバーが隣接する動翼の隣接するカバーに素早く係合するように寸法決めされる、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の動翼。
7. 該カバー（５）が該翼端部（４）と一体的である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の動翼。
8. 該ラジアルシールが少なくとも１つの翼端シール（１２）を有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の動翼。
9. 蒸気タービンの動翼であって、
   根元部（２）と、
   該根元部と連続した翼形部（１０）であって、最適化された流速分布と最小の遠心および曲げ応力を提供しつつ、空気力学的性能を最適化するように成形される該翼形部（１０）と、
   該翼形部と連続し、翼端幅を有する翼端部（４）と、
   該翼端部の一部として形成され、翼端損失を最小限にするラジアルシールを画定するカバー（５）であって、該カバーが隣接する動翼の隣接するカバーに素早く係合するように、該翼端幅よりも広くなっている該カバー（５）とからなる該蒸気タービンの動翼において、
   出口環帯面積が０．１４３ｍ^２であり、運転速度範囲が５６２５〜１１２５０毎分回転数であり、最大質量流量が３０．９ｋｇ／ｓである、
   前記蒸気タービンの動翼。

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