JP2009216089A - Low pressure section steam turbine bucket - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve rigidity, damping characteristics, and vibration stress by using long blades. <P>SOLUTION: The bucket has blades 118 of which length is about 45 inches or more. The bucket 102 includes a dovetail part 121 disposed close to a radially inward position of the bucket, a tip shroud disposed close to a radially outward position of the bucket, and an intermediate span shroud 610 disposed at a radially intermediate position between the radially inward position and outward position. The bucket 102 is formed of titanium base alloy comprising aluminum by about 2-6.25 wt.%, vanadium by about 3.5 wt.% or less, tin by about 2.25 wt.% or less, zirconium by about 2.25 wt.% or less, molybdenum by about 1.75-5.0 wt.%, chrome by about 2.25 wt.% or less, silicon by about 0.7 wt.% or less, iron by about 2.3 wt.% or less, and titanium for the rest. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、蒸気タービンエンジンの最終段に用いられる高強度バケットに関する。特に、本発明は、翼長が約45インチ以上である高強度最終段タービンバケットを製造するのにチタン基合金を用いることに関する。   The present invention relates to a high-strength bucket used in the final stage of a steam turbine engine. In particular, the present invention relates to the use of a titanium-based alloy to produce a high strength last stage turbine bucket having a blade length of about 45 inches or greater.

一般に、蒸気タービンの性能は、減少した蒸気圧力で作動する後段のバケットの設計及び性能から大きな影響を受けることが知られている。理想的には、最終段バケットは、タービン排気圧に低下するまで蒸気の膨張を有効に利用するとともに、最終段を出る蒸気流の運動エネルギーを出来るだけ小さくすることが必要である。   In general, it is known that the performance of a steam turbine is greatly influenced by the design and performance of a subsequent bucket operating at reduced steam pressure. Ideally, the last stage bucket should effectively utilize the expansion of the steam until it is reduced to the turbine exhaust pressure, and the kinetic energy of the steam flow exiting the last stage should be as small as possible.

蒸気タービンバケットの使用上の要求は複雑で厳しい。特に、最終段バケットは、高い湿度やボイラーからのキャリーオーバーによって生じる腐食環境などの種々の過酷な運転条件に常にさらされる。特に翼長が40インチ以上の長い最終段タービンバケットでは、このような条件がバケット材料に深刻な腐食及び孔食の問題を引き起こすおそれがある。したがって、これまでタービン用の最終段バケットについては、厳しい運転条件下での効率を向上するために研究開発が継続されてきた。バケットの効率及び耐久年数の僅かな増加であっても、蒸気タービンエンジンの寿命全体にわたって著しい経済効果をもたらすことができるからである。   The requirements for using steam turbine buckets are complex and demanding. In particular, the last stage bucket is constantly exposed to various harsh operating conditions such as high humidity and a corrosive environment caused by carryover from the boiler. Such conditions can cause serious corrosion and pitting problems in the bucket material, especially for long last stage turbine buckets with blade lengths of 40 inches or longer. Therefore, research and development have been continued for the last stage bucket for turbines in order to improve the efficiency under severe operating conditions. This is because even a slight increase in the efficiency and durability of the bucket can have significant economic benefits over the life of the steam turbine engine.

最終段タービンバケットは広範な流れ、負荷及び大きな動的力にさらされる。したがって、機械的強度及び耐久性の観点から、バケットプロファイルの最終設計に影響を与える主な要因には、バケットの有効長、ピッチ直径及び運転時の流れ領域での作動速度が挙げられる。構成材料の最大予測運転条件での減衰性、バケット疲労及び耐食性も最終バケット設計及び製造法において重要な役割を果たす。   The final stage turbine bucket is exposed to a wide range of flows, loads and large dynamic forces. Therefore, from the standpoint of mechanical strength and durability, the main factors affecting the final design of the bucket profile include the effective length of the bucket, the pitch diameter and the operating speed in the flow region during operation. Damping, bucket fatigue and corrosion resistance at the maximum predicted operating conditions of the constituent materials also play an important role in the final bucket design and manufacturing process.

一層大きな最終段タービンバケット、例えば翼長が約40インチ以上のバケットの開発では、慣性負荷がしばしばTiAlVや鉄基合金などの従来のバケット材料の強度性能を上回るため、別の設計問題が課される。蒸気タービンバケット、特に長い翼を有する最終段バケットは、大きな引張荷重を受け、繰り返し応力にさらされ、この周期的応力が腐食環境と組み合わさると、長期の使用期間中にバケットに損傷を与えるおそれが大きい。さらに最終段の蒸気は通常「湿って」おり、即ちより多量の飽和蒸気を含む。その結果、最終段でバケット材料の水滴衝突浸食がしばしば発生する。このような浸食はバケットの有効寿命を短くし、蒸気タービン全体としての効率を下げる。 In the development of larger last stage turbine buckets, for example buckets with a blade length of about 40 inches or more, the inertial load often exceeds the strength performance of conventional bucket materials such as Ti 6 Al 4 V and iron-based alloys, so another design Problems are imposed. Steam turbine buckets, especially last stage buckets with long blades, are subject to large tensile loads and are subject to repeated stresses that, when combined with a corrosive environment, can damage the buckets during long periods of use. Is big. Furthermore, the last stage steam is usually "wet", i.e. contains more saturated steam. As a result, water droplet impact erosion of the bucket material often occurs at the final stage. Such erosion shortens the useful life of the bucket and reduces the overall efficiency of the steam turbine.

これまで、様々な最終用途、特に長い翼のバケット、即ち、翼長が約40インチ以上のバケットを用いる機械設計の機械的要求をすべて満たすことができるバケット材料を見出すことは困難であった。長いバケットは必然的に、高い強度を必要とし、前述したように浸食及び孔食を起こす可能性が高いという問題を抱えている。長翼設計に固有な高い応力により、高い運転温度での応力腐食割れが発生するおそれも高まる。バケット材料に要求される高い強度は、400°F程度の運転温度で応力割れを発生しやすくする傾向があるからである。孔食及び腐食疲労の影響は、翼長が長い最終段バケットにかかる応力が高いほど増加する。単に別のタービン段の基本機械設計要求を満たすように選択された合金は、最終段バケットの最小機械的強度及び耐浸食性の要求を満たさないことが多い。   Heretofore, it has been difficult to find bucket materials that can meet all the mechanical requirements of various end uses, especially mechanical designs that use long wing buckets, i.e., buckets with wing lengths of about 40 inches or more. Long buckets inevitably require high strength and have the potential to cause erosion and pitting as described above. The high stress inherent in long blade design also increases the risk of stress corrosion cracking at high operating temperatures. This is because the high strength required for the bucket material tends to easily cause stress cracking at an operating temperature of about 400 ° F. The effects of pitting corrosion and corrosion fatigue increase as the stress applied to the last stage bucket having a long blade length increases. Alloys selected to simply meet the basic mechanical design requirements of another turbine stage often do not meet the minimum mechanical strength and erosion resistance requirements of the final stage bucket.

最終段タービンバケットの翼長が長いことに伴う問題を解決するために、従来から最終用途の要求に応じて様々なアプローチがとられている。使用上の要求がそれほど厳しくない場合には、単一のバケット材料が妥当なこともある。しかし耐浸食性を高めるために、通常バケットは、局部的熱処理による硬化(例えば、炎焼入又は高周波焼入)を前縁で行って、十分な耐浸食性を付与する必要がある。或いは、耐浸食性シールド材料(ステライトなど)をろう付け、ガス・タングステンアーク溶接又は電子ビーム溶接によりバケットに付着することができる。これらの従来の物理的付着法は、ほとんどと言ってよいほど、時間の経過とともに溶接熱影響部にある程度の劣化をもたらし、バケットは最終的にその個所で破損する。さらに、溶接不良のリスクが常にあり、そのため場合によってはバケットアセンブリ全体のスクラップ化という被害を招くことがある。   In order to solve the problems associated with the long blade length of the final stage turbine bucket, various approaches have been conventionally taken depending on the end use requirements. A single bucket material may be appropriate if the usage requirements are less stringent. However, in order to increase erosion resistance, the bucket usually needs to be cured by local heat treatment (for example, flame quenching or induction quenching) at the leading edge to provide sufficient erosion resistance. Alternatively, an erosion resistant shield material (such as stellite) can be brazed and attached to the bucket by gas-tungsten arc welding or electron beam welding. Most of these conventional physical deposition methods cause some degradation in the weld heat affected zone over time, and the bucket eventually breaks in place. In addition, there is always a risk of poor welding, which in some cases can result in scrapping the entire bucket assembly.

蒸気タービンバケットの他の公知の製造方法又は修理方法では、バケットブレードの前縁にインサートを溶接し、次いでインサートの一部を硬化して、前縁外部に硬化表面を設ける。しかし、この場合も、硬化工程は通常インサートとブレード自体の接合部まで波及しない。したがって、インサートの一部分は未硬化のままであり、厳しい運転条件下で早期破損又は浸食を受けやすい。   In other known manufacturing or repair methods for steam turbine buckets, the insert is welded to the leading edge of the bucket blade, and then a portion of the insert is cured to provide a hardened surface outside the leading edge. However, in this case as well, the curing process does not normally extend to the joint between the insert and the blade itself. Thus, a portion of the insert remains uncured and is subject to premature failure or erosion under severe operating conditions.

蒸気タービンに使用する高応力の最終段バケットの多くの要求を満たすバイメタル構造を形成する方法が、本出願人に譲渡されたCrawmerらの米国特許第5351395号(特許文献1)に開示されている。特許文献1に記載された方法ではバケットとインサート材料の両方がほぼ最適な溶接性を有する状態にある間に耐浸食性インサート材料を取付ける。溶接後にバイメタルアセンブリを熱処理し、ほどんど歪ませることなくバケット特性を最適化する。インサート材料を機械加工後に(炎焼入などの普通の方法で)硬化させ、耐浸食性を向上することもできる。しかし、特許文献1に開示されたバイメタル構造は最終段タービンバケット、特に翼長が約40インチ以上のバケットに固有な孔食及び腐食問題をすべては解決しないことを確認した。   A method of forming a bimetallic structure that satisfies many requirements of high stress last stage buckets for use in steam turbines is disclosed in US Pat. No. 5,351,395 to Crawmer et al. . In the method described in Patent Document 1, the erosion-resistant insert material is attached while both the bucket and the insert material are in a state having substantially optimum weldability. After welding, the bimetal assembly is heat treated to optimize the bucket characteristics with little distortion. The insert material can also be hardened after machining (by conventional methods such as flame quenching) to improve erosion resistance. However, it has been confirmed that the bimetal structure disclosed in Patent Document 1 does not solve all the pitting corrosion and corrosion problems inherent in the final stage turbine bucket, particularly a bucket having a blade length of about 40 inches or more.

米国特許第5351395号明細書US Pat. No. 5,351,395 米国特許第5067876号明細書US Pat. No. 5,067,766 米国特許第5267834号明細書US Pat. No. 5,267,834 米国特許第5277549号明細書US Pat. No. 5,277,549 米国特許第5299915号明細書US Pat. No. 5,299,915 米国特許第5393200号明細書US Pat. No. 5,393,200 米国特許第5480285号明細書US Pat. No. 5,480,285 米国特許第6575700号明細書US Pat. No. 6,575,700 米国特許第6682306号明細書US Pat. No. 6,682,306 米国特許第6814543号明細書US Pat. No. 6,814,543 米国特許第6893216号明細書US Pat. No. 6,893,216 米国特許第7097428号明細書US Pat. No. 7,097,428 米国特許第7195455号明細書US Pat. No. 7,195,455 米国特許出願公開第2007/0292265号明細書US Patent Application Publication No. 2007/0292265

AMIR MUJEZINOVIC, "Bigger Blades Cut Costs" Modern Power Systems, Feb. 2003, p.25, 27.AMIR MUJEZINOVIC, "Bigger Blades Cut Costs" Modern Power Systems, Feb. 2003, p.25, 27. MICHAEL BOSS, "Steam Turbine Technology Heats Up", PEI Magazine, April 2003, p.77, 79, 81.MICHAEL BOSS, "Steam Turbine Technology Heats Up", PEI Magazine, April 2003, p.77, 79, 81.

したがって、翼長が長い、優れた剛性、優れた減衰特性及び低振動応力を有する最終段バケットが当業界で必要とされている。   Accordingly, there is a need in the industry for a last stage bucket having a long blade length, excellent stiffness, excellent damping characteristics and low vibration stress.

本発明の1観点では、蒸気タービンの低圧セクションに使用するバケットが提供される。バケットは翼長が約45インチ以上となるように形成される。バケットは、バケットの半径方向の内側位置近傍に配置されたダブテール部と、バケットの半径方向の外側位置近傍に配置された先端シュラウドと、バケットの半径方向の内側位置と外側位置の間にある半径方向の中間位置に配置された中間スパンシュラウドとを含む。バケットは、約2重量%〜約6.25重量%のアルミニウム、約3.5重量%以下のバナジウム、約2.25重量%以下のスズ、約2.25重量%以下のジルコニウム、約1.75重量%〜約5.0重量%のモリブデン、約2.25重量%以下のクロム、約0.7重量%以下のケイ素、約2.3重量%以下の鉄及び残部のチタンからなるチタン基合金で形成される。   In one aspect of the invention, a bucket for use in a low pressure section of a steam turbine is provided. The bucket is formed so that the blade length is about 45 inches or more. The bucket has a dovetail portion disposed near the radially inner position of the bucket, a tip shroud disposed near the radially outer position of the bucket, and a radius between the radially inner position and the outer position of the bucket. An intermediate span shroud disposed at an intermediate position in the direction. The bucket is about 2 wt.% To about 6.25 wt.% Aluminum, about 3.5 wt.% Or less vanadium, about 2.25 wt.% Or less tin, about 2.25 wt.% Or less zirconium, about 1. Titanium base consisting of 75 wt% to about 5.0 wt% molybdenum, up to about 2.25 wt% chromium, up to about 0.7 wt% silicon, up to about 2.3 wt% iron and the balance titanium Made of alloy.

別の観点では、タービンホイールの周りに配置された複数の最終段バケットを有する低圧タービンセクションを含む蒸気タービンが提供される。最終段バケットは翼長が約45インチ以上である。少なくとも1つの最終段バケットは、バケットの半径方向の内側位置近傍に配置されたダブテール部と、バケットの半径方向の外側位置近傍に配置された先端シュラウドと、バケットの半径方向の内側位置と外側位置の間にある半径方向の中間位置に配置された中間スパンシュラウドとを含む。最終段バケットは、約2重量%〜約6.25重量%のアルミニウム、約3.5重量%以下のバナジウム、約2.25重量%以下のスズ、約2.25重量%以下のジルコニウム、約1.75重量%〜約5.0重量%のモリブデン、約2.25重量%以下のクロム、約0.7重量%以下のケイ素、約2.3重量%以下の鉄及び残部のチタンからなるチタン基合金で形成される。   In another aspect, a steam turbine is provided that includes a low pressure turbine section having a plurality of final stage buckets disposed about a turbine wheel. The last stage bucket has a blade length of about 45 inches or more. The at least one final stage bucket includes a dovetail portion disposed near a radially inner position of the bucket, a tip shroud disposed near a radially outer position of the bucket, and a radially inner position and an outer position of the bucket. And an intermediate span shroud disposed at a radially intermediate position between the two. The final stage bucket comprises about 2% to about 6.25% aluminum, about 3.5% or less vanadium, about 2.25% or less tin, about 2.25% or less zirconium, 1.75% to about 5.0% by weight molybdenum, about 2.25% or less chromium, about 0.7% or less silicon, about 2.3% or less iron and the balance titanium It is made of a titanium-based alloy.

蒸気タービンの一部破断斜視図である。It is a partially broken perspective view of a steam turbine. 本発明の1実施形態のバケットの斜視図である。It is a perspective view of the bucket of one embodiment of the present invention. 本発明の1実施形態の軸挿入曲面ダブテールの拡大斜視図である。It is an expansion perspective view of a shaft insertion curved surface dovetail of one embodiment of the present invention. 図2のバケットに使用できる先端シュラウドの1例の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of an example of a tip shroud that can be used in the bucket of FIG. 2. 隣接する先端シュラウドの相互関係を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the mutual relationship of the front-end | tip shroud adjacent. 図2のバケットに使用できる中間スパンシュラウドの斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of an intermediate span shroud that can be used with the bucket of FIG. 2. 隣接する中間スパンシュラウドの相互関係を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the mutual relationship of an adjacent intermediate span shroud.

図1は、シャフト14と低圧(LP)タービン16とを備えるロータ12を含む蒸気タービン10の一部破断斜視図である。LPタービン16は軸線方向に離間された複数のロータホイール18を含む。複数のバケット20が各ロータホイール18に機械的に連結される。さらに具体的には、バケット20は各ロータホイール18の周りで円周方向に延在する複数の列として配置される。複数の固定ノズル22はシャフト14の周りで円周方向に延在し、軸線方向では隣接するバケット(20)列間に位置する。ノズル22は、バケット20と協働してタービン段を形成し、かつタービン10を通る蒸気流路の一部分を画定する。   FIG. 1 is a partially broken perspective view of a steam turbine 10 including a rotor 12 with a shaft 14 and a low pressure (LP) turbine 16. The LP turbine 16 includes a plurality of rotor wheels 18 that are axially spaced. A plurality of buckets 20 are mechanically coupled to each rotor wheel 18. More specifically, the buckets 20 are arranged as a plurality of rows extending circumferentially around each rotor wheel 18. The plurality of fixed nozzles 22 extends in the circumferential direction around the shaft 14 and is positioned between adjacent bucket (20) rows in the axial direction. The nozzle 22 cooperates with the bucket 20 to form a turbine stage and defines a portion of the steam flow path through the turbine 10.

運転中、蒸気24は、タービン10の入口26に流入し、ノズル22に導かれる。ノズル22は、蒸気24を下流に向けバケット20に当てる。蒸気24は、残りの段を通過し、力をバケット20に与えてロータ12を回転させる。タービン10の少なくとも一端は、ロータ12から先に軸線方向に延在し、負荷又は機械(図示せず)、例えば発電機及び/又は別のタービンに取付けることができる。従って、大型の蒸気タービン装置は、実際には全て同じシャフト14に同軸連結された複数のタービンを含むことができる。このような装置は、例えば、高圧タービンを中圧タービンに連結し、中圧タービンを低圧タービンに連結した構成とすることができる。   During operation, the steam 24 flows into the inlet 26 of the turbine 10 and is directed to the nozzle 22. The nozzle 22 directs the steam 24 toward the bucket 20 toward the downstream. The steam 24 passes through the remaining stages and applies a force to the bucket 20 to rotate the rotor 12. At least one end of the turbine 10 extends axially from the rotor 12 and can be attached to a load or machine (not shown), such as a generator and / or another turbine. Thus, a large steam turbine apparatus may actually include a plurality of turbines all coaxially connected to the same shaft 14. Such an apparatus can be configured, for example, by connecting a high-pressure turbine to an intermediate-pressure turbine and connecting the intermediate-pressure turbine to a low-pressure turbine.

図1では、1実施形態として、低圧タービンを5段で示してある。5段をL0、L1、L2、L3及びL4と呼ぶ。L4は、第1段であり、5段の中で最小(半径方向)である。L3は、第2段であり、軸線方向で次の段である。L2は、第3段であり、5段の真ん中に示される。L1は、第4の、最終の1つ前の段である。L0は最終段であり、最大(半径方向)である。なお、5段は1例にすぎず、低圧タービンは5段より多くても少なくてもよい。   In FIG. 1, as an embodiment, the low-pressure turbine is shown in five stages. The five stages are called L0, L1, L2, L3, and L4. L4 is the first stage and is the smallest (radial direction) of the five stages. L3 is the second stage and is the next stage in the axial direction. L2 is the third stage and is shown in the middle of the fifth stage. L1 is the fourth and last previous stage. L0 is the last stage and is the maximum (radial direction). Note that the fifth stage is only an example, and the number of low-pressure turbines may be more or less than five.

図2は、タービン10に用いることができるタービンバケット20の斜視図である。バケット20は、後縁104と前縁106とを含むブレード部分102を含み、蒸気はほぼ前縁106から後縁104に流れる。バケット20はまた、第1の凹面側壁108と第2の凸面側壁110とを含む。第1の側壁108及び第2の側壁110は、後縁104及び前縁106で軸線方向に連結され、かつロータブレードルート112とロータブレード先端114間で半径方向に延在する。ブレード弦距離は、ブレード102の半径方向長さ118に沿った任意の点において後縁104から前縁106まで測定した距離である。1実施形態では、半径方向長さ118、即ち翼長は、約45インチである。別の実施形態では、半径方向長さ118は約40〜約50インチ又はそれ以上である。本明細書では、半径方向長さ118は、約45インチに等しいものと記載しているが、半径方向長さ118は、特定の用途に応じて任意適当な長さにすることができる。ルート112は、バケット20をシャフト14に沿ったロータディスクに組込むのに用いられるダブテイル121を含む。   FIG. 2 is a perspective view of a turbine bucket 20 that can be used in the turbine 10. Bucket 20 includes a blade portion 102 that includes a trailing edge 104 and a leading edge 106, with steam generally flowing from leading edge 106 to trailing edge 104. Bucket 20 also includes a first concave sidewall 108 and a second convex sidewall 110. The first sidewall 108 and the second sidewall 110 are connected axially at the trailing edge 104 and the leading edge 106 and extend radially between the rotor blade root 112 and the rotor blade tip 114. Blade chord distance is the distance measured from the trailing edge 104 to the leading edge 106 at any point along the radial length 118 of the blade 102. In one embodiment, the radial length 118, or wing length, is about 45 inches. In another embodiment, the radial length 118 is about 40 to about 50 inches or more. Although the radial length 118 is described herein as being equal to about 45 inches, the radial length 118 can be any suitable length depending on the particular application. The root 112 includes a dovetail 121 that is used to incorporate the bucket 20 into the rotor disk along the shaft 14.

図3はダブテール121の拡大図である。1実施形態では、ダブテール121はロータディスクに形成された嵌合スロットに係合する軸挿入曲面ダブテールである。1実施形態では、ダブテール121は4つの凸状突出部302を有する。別の実施形態では、ダブテール121の凸状突出部は4つより多くても少なくてもよい。平均応力及び局部応力の適当な分布、速度超過状態時の保護及び適切な低サイクル疲労(LCF)マージンを得るためには軸挿入曲面ダブテールが好ましい。   FIG. 3 is an enlarged view of the dovetail 121. In one embodiment, dovetail 121 is a shaft insertion curved dovetail that engages a mating slot formed in the rotor disk. In one embodiment, the dovetail 121 has four convex protrusions 302. In another embodiment, the dovetail 121 may have more or fewer convex protrusions. An axially-inserted curved dovetail is preferred to obtain an appropriate distribution of mean and local stresses, over-speed protection and an appropriate low cycle fatigue (LCF) margin.

図4は1実施形態の一体型先端シュラウド410を有するバケット先端4の拡大図である。先端シュラウド410はバケット20の剛性及び減衰特性を向上する。先端シュラウドの外面上にシールリブ420を配置することができる。リブ420はバケット20の外側部分を越える蒸気流れを制限する封止手段として機能する。リブ420は、単一のリブとするか、複数のリブ、複数のまっすぐなもしくは山型の歯、又は異なる寸法の1つ以上の歯(例えば、ラビリンス型シール)で構成することができる。   FIG. 4 is an enlarged view of bucket tip 4 having an integrated tip shroud 410 of one embodiment. The tip shroud 410 improves the rigidity and damping characteristics of the bucket 20. A seal rib 420 can be disposed on the outer surface of the tip shroud. The rib 420 functions as a sealing means that restricts steam flow beyond the outer portion of the bucket 20. The ribs 420 can be a single rib, or can be comprised of multiple ribs, multiple straight or chevron teeth, or one or more teeth of different dimensions (eg, labyrinth type seals).

図5は先端シュラウド410の最初に組立てた状態の図である。先端シュラウド410は最初の組立時及び/又は速度ゼロ状態で隣接先端シュラウド間にギャップ510を有するように設計されている。図から明らかなように、リブ420は、また無回転状態で互いにわずかにずれている。タービンホイールが回転すると、バケット20のねじれが戻り始める。回転数が運転レベル(例えば、約1800〜約3600RPM)に近づくと、バケットのねじれが遠心力によって戻り、ギャップ510が閉じ、リブ420が互いに一直線に並ぶ。シュラウドがぴったり噛み合うことにより、バケット剛性の向上、バケット減衰性の向上、バケット20の半径方向の外側位置でのシール性の向上が得られる。   FIG. 5 shows the tip shroud 410 initially assembled. Tip shroud 410 is designed to have a gap 510 between adjacent tip shrouds during initial assembly and / or at zero speed. As can be seen from the figure, the ribs 420 are also slightly offset from each other in the non-rotating state. As the turbine wheel rotates, the bucket 20 begins to twist back. As the rotational speed approaches an operating level (eg, about 1800 to about 3600 RPM), the bucket twist returns due to centrifugal force, the gap 510 is closed, and the ribs 420 are aligned with each other. When the shrouds are closely meshed with each other, it is possible to improve the bucket rigidity, improve the bucket damping performance, and improve the sealing performance at the radially outer position of the bucket 20.

図6及び図7は先端シュラウド410とルート部112の間に位置する中間スパンシュラウド610を示す。中間スパンシュラウド610はバケット20の凸面側壁と凹面側壁とに位置する。速度ゼロ状態時、隣り合うバケットの隣接中間スパンシュラウド間にギャップが存在する。タービンホイールが回転し始め、運転速度に近づくにつれてバケットのねじれが戻ると、このギャップは閉じる。中間スパンシュラウドは、風損を低減しかつ全体効率を向上するような空気力学的形状とする。バケットのねじれが戻る間に中間スパンシュラウドが互いに接触すると、バケットの剛性及び減衰特性も向上する。バケットがねじれを戻すと、先端シュラウド410及び中間スパンシュラウド610がそれぞれの隣接シュラウドに接触する。複数のバケット20は、1つの次々とつながった構造として作動し、ばらばらのつながっていない設計に比べて優れた剛性及び減衰特性を示す。別の利点として、ロータの振動応力が低減する。   6 and 7 show an intermediate span shroud 610 located between the tip shroud 410 and the root portion 112. The intermediate span shroud 610 is located on the convex and concave side walls of the bucket 20. At zero speed, there is a gap between adjacent intermediate span shrouds of adjacent buckets. The gap closes as the bucket twists back as the turbine wheel begins to rotate and approaches operating speed. The intermediate span shroud is aerodynamically shaped to reduce windage loss and improve overall efficiency. If the intermediate span shrouds contact each other while the bucket twists back, the bucket stiffness and damping characteristics also improve. As the bucket returns to twist, the tip shroud 410 and the intermediate span shroud 610 contact their respective adjacent shrouds. The plurality of buckets 20 operate as one connected structure and exhibit superior stiffness and damping characteristics compared to a disjoint design. Another advantage is that the rotor vibration stress is reduced.

本発明のバケットは1例として表1に示した割合(重量%)のチタン合金で形成することができる。   As an example, the bucket of the present invention can be formed of a titanium alloy having a ratio (% by weight) shown in Table 1.

Figure 2009216089
本発明のバケットを形成するのに用いるチタン基合金、即ち翼長が約45インチ以上のバケットに用いる合金は、室温での最小極限引張強さが145ksi、室温での0.2%降伏強さが130ksi、400°Fでの最小極限引張強さが125ksi、400°Fでの最小0.2%降伏強さが110ksiである。合金は、β又はαβ構造のどちらかを示し、最小破壊靱性が約50ksi・inch1/2に達することが好ましい。
Figure 2009216089
The titanium-based alloy used to form the bucket of the present invention, i.e., the bucket used with a blade length of about 45 inches or more, has a minimum ultimate tensile strength at room temperature of 145 ksi and a 0.2% yield strength at room temperature. Has a minimum ultimate tensile strength at 130 ksi and 400 ° F. of 125 ksi and a minimum 0.2% yield strength at 400 ° F. of 110 ksi. Preferably, the alloy exhibits either a β or αβ structure and a minimum fracture toughness reaches about 50 ksi · inch 1/2 .

上記のチタン合金組成範囲を用いて本発明に従って翼長が約45インチの種々の蒸気タービンバケットを形成した。前述したように、最終バケットプロファイル及び用いる特定な合金は、バケットの有効長、ピッチ直径及び運転時の流れ領域でのバケットの作動速度などの多数の設計要素によって左右される。最高予測運転条件での減衰性、バケット疲労性及び合金の耐食性も、上記の好ましい組成範囲内に入るチタン基合金を用いたバケットの最終設計において重要な役割を果たす。本発明に従ってチタン合金で形成することができるより長翼の最終段バケットのプロファイルの例は、本出願人に譲渡された米国特許第5393200号(特許文献6)「タービンの最終段用バケット」に記載されている。   Various steam turbine buckets having a blade length of about 45 inches were formed in accordance with the present invention using the above titanium alloy composition ranges. As previously mentioned, the final bucket profile and the particular alloy used will depend on a number of design factors such as the effective length of the bucket, the pitch diameter and the operating speed of the bucket in the flow region during operation. Damping, bucket fatigue, and alloy corrosion resistance at the highest predicted operating conditions also play an important role in the final design of the bucket using a titanium-based alloy that falls within the preferred composition range described above. An example of a profile of a longer blade last stage bucket that can be formed of a titanium alloy in accordance with the present invention is shown in US Pat. No. 5,393,200, “Patent for turbine last stage” assigned to the present applicant. Are listed.

形成後、本発明の実施形態による各バケットを応力緩和し、普通の仕上げ工程及び熱処理工程を用いてバケットの表面を最終プロファイルに機械加工した。翼長が約45インチ以上の種々のバケットに、最終段蒸気タービンの公称運転温度〜最高予測運転温度の範囲内で通常の機械的強度試験及び耐食性試験を行った。本発明によるバケットに用いたチタン基合金材料は優れた耐食性及び平均以上の強度特性を示した。   After formation, each bucket according to an embodiment of the invention was stress relieved and the bucket surface was machined to a final profile using normal finishing and heat treatment steps. Conventional mechanical strength tests and corrosion resistance tests were performed on various buckets with blade lengths of about 45 inches or more within the range of the nominal operating temperature of the last stage steam turbine to the highest predicted operating temperature. The titanium-based alloy material used in the bucket according to the present invention exhibited excellent corrosion resistance and above-average strength characteristics.

本発明に従ったチタン基蒸気タービンバケットの代表的な製造法は以下の工程を含む。最初、上記の合金組成物からなるチタンビレットを従来のねじプレス、ハンマー鍛造及び/又は油圧プレスを用いてバケットに成形、鍛造する。所望に応じて、鍛造バケットを熱処理し、急冷し、これにより応力を緩和するとともに機械的強度特性を発現させることができる。特定の最終用途に応じて、通常の手段を用いてバケットを時効処理し、運転可能な最終形状に機械加工する(通常、機械加工は全側面、即ち360°に行う)ことができる。   A typical method for manufacturing a titanium-based steam turbine bucket according to the present invention includes the following steps. First, a titanium billet made of the above alloy composition is formed into a bucket and forged using a conventional screw press, hammer forging and / or hydraulic press. If desired, the forged buckets can be heat treated and quenched to relieve stress and develop mechanical strength characteristics. Depending on the specific end use, the bucket can be aged using conventional means and machined to a final operable shape (usually machining is done on all sides, ie 360 °).

上記方法は、比較的長いバケット、例えば翼長が約45インチ以上の最終段蒸気タービンバケット用に開発したが、特定のバケット設計及び最終用途の条件に応じて、チタン合金組成を上記の組成範囲内で変えることにより本方法を調整することができる。   Although the above method was developed for relatively long buckets, such as last stage steam turbine buckets with blade lengths of about 45 inches or more, depending on the specific bucket design and end use conditions, the titanium alloy composition is within the above composition range. The method can be adjusted by changing within.

本発明の実施形態のバケットは、好ましくは蒸気タービンの低圧セクションの最終段に用いられる。しかし、バケットを別の段又は別のセクション(例えば、高圧又は中圧セクション)に使用することもできる。バケット20の好ましいスパン長さは約45インチであり、この半径方向長さは約112ft(約10.4m)の最終段排気環状面積を与えることができる。この拡大(改良)した排気環状面積は、蒸気が最終段バケットを出るときに受ける運動エネルギーの損失を低減することができる。この損失の低減によりタービン効率が良くなる。 The bucket of the embodiment of the present invention is preferably used in the final stage of the low pressure section of the steam turbine. However, the bucket can also be used for another stage or another section (eg, a high or medium pressure section). The preferred span length of bucket 20 is about 45 inches, and this radial length can provide a final stage exhaust annulus area of about 112 ft 2 (about 10.4 m 2 ). This expanded (improved) exhaust annular area can reduce the loss of kinetic energy experienced when steam exits the final stage bucket. This loss reduction improves turbine efficiency.

本発明によれば、蒸気タービン用の優れたバケットが提供される。本発明のバケットは好ましくは蒸気タービンの低圧セクションの最終段に用いられる。バケットの一体型先端シュラウド及び中間スパンダンパーは優れた剛性及び減衰特性を与える。また軸挿入曲面ダブテールはダブテール境界での平均応力及び局部応力の分布を改善する。   According to the present invention, an excellent bucket for a steam turbine is provided. The bucket of the present invention is preferably used in the final stage of the low pressure section of the steam turbine. The bucket's integral tip shroud and intermediate span damper provide excellent stiffness and damping characteristics. The shaft insertion curved dovetail also improves the distribution of mean stress and local stress at the dovetail boundary.

以上、本発明を種々の特定の実施形態について説明したが、特許請求の範囲内で変更を行っても本発明を実施できることが当業者に明らかである。   While the invention has been described in terms of various specific embodiments, those skilled in the art will recognize that the invention can be practiced with modification within the scope of the claims.

10 蒸気タービン
12 ロータ
14 シャフト
16 低圧タービン
18 ロータホイール
20 バケット
22 ノズル
24 蒸気
26 入口
102 ブレード
104 後縁
106 前縁
108 凹面側壁
110 凸面側壁
112 ロータブレードルート
114 ロータブレード先端
118 半径方向長さ
121 ダブテール
302 凸状突出部
410 先端シュラウド
420 シールリブ
510 ギャップ
610 中間スパンシュラウド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Steam turbine 12 Rotor 14 Shaft 16 Low pressure turbine 18 Rotor wheel 20 Bucket 22 Nozzle 24 Steam 26 Inlet 102 Blade 104 Trailing edge 106 Leading edge 108 Concave side wall 110 Convex side wall 112 Rotor blade route 114 Rotor blade tip 118 Radial length 121 Dovetail 302 Convex protrusion 410 Tip shroud 420 Seal rib 510 Gap 610 Intermediate span shroud

Claims (9)

蒸気タービン(10)の低圧セクションに使用するバケット(20)において、バケット(20)は、翼長(118)が約45インチ以上となるように形成され、
バケットの半径方向の内側位置近傍に配置されたダブテール部(121)と、
バケットの半径方向の外側位置近傍に配置された先端シュラウド(410)と、
半径方向の前記内側位置と前記外側位置の間にある半径方向の中間位置に配置された中間スパンシュラウド(610)とを含み、
バケット(20)が、約2重量%〜約6.25重量%のアルミニウム、約3.5重量%以下のバナジウム、約2.25重量%以下のスズ、約2.25重量%以下のジルコニウム、約1.75重量%〜約5.0重量%のモリブデン、約2.25重量%以下のクロム、約0.7重量%以下のケイ素、約2.3重量%以下の鉄及び残部のチタンからなるチタン基合金で形成された、
バケット(20)。
In the bucket (20) used in the low pressure section of the steam turbine (10), the bucket (20) is formed such that the blade length (118) is about 45 inches or greater,
A dovetail portion (121) disposed near the radially inner position of the bucket;
A tip shroud (410) disposed near a radially outer position of the bucket;
An intermediate span shroud (610) disposed at a radially intermediate position between the radially inner and outer positions;
The bucket (20) is about 2% to about 6.25% aluminum, about 3.5% or less vanadium, about 2.25% or less tin, about 2.25% or less zirconium, From about 1.75 wt% to about 5.0 wt% molybdenum, up to about 2.25 wt% chromium, up to about 0.7 wt% silicon, up to about 2.3 wt% iron and the balance titanium. Formed of titanium-based alloy
Bucket (20).
ダブテール部(121)が軸挿入曲面ダブテールを含む、請求項1に記載のバケット。   The bucket according to claim 1, wherein the dovetail portion (121) comprises an axially inserted curved dovetail. 前記バケットが最終段バケットを含む、請求項1に記載のバケット。   The bucket of claim 1, wherein the bucket comprises a last stage bucket. 低圧タービンセクションを含む蒸気タービンにおいて、低圧タービンセクションが、タービンホイールの周りに配置された、翼長が約45インチ以上の複数の最終段バケット(20)を含み、
最終段バケットの少なくとも1つが、
最終段バケットの半径方向の内側位置近傍に配置されたダブテール部(121)と、
最終段バケットの半径方向の外側位置近傍に配置された先端シュラウド(410)と、
半径方向の前記内側位置と前記外側位置の間にある半径方向の中間位置に配置された中間スパンシュラウド(610)とを含み、
各最終段バケットが、約2重量%〜約6.25重量%のアルミニウム、約3.5重量%以下のバナジウム、約2.25重量%以下のスズ、約2.25重量%以下のジルコニウム、約1.75重量%〜約5.0重量%のモリブデン、約2.25重量%以下のクロム、約0.7重量%以下のケイ素、約2.3重量%以下の鉄及び残部のチタンからなるチタン基合金で形成された、
蒸気タービン。
In a steam turbine including a low pressure turbine section, the low pressure turbine section includes a plurality of final stage buckets (20) having a blade length of about 45 inches or more disposed about the turbine wheel;
At least one of the last stage buckets
A dovetail portion (121) disposed near the radially inner position of the last stage bucket;
A tip shroud (410) disposed near the radially outer position of the last stage bucket;
An intermediate span shroud (610) disposed at a radially intermediate position between the radially inner and outer positions;
Each final stage bucket comprises from about 2% to about 6.25% aluminum, up to about 3.5% vanadium, up to about 2.25% tin, up to about 2.25% zirconium; From about 1.75 wt% to about 5.0 wt% molybdenum, up to about 2.25 wt% chromium, up to about 0.7 wt% silicon, up to about 2.3 wt% iron and the balance titanium. Formed of titanium-based alloy
Steam turbine.
前記複数の最終段バケットが約112ft以上の排気環状面積を与える、請求項4に記載の蒸気タービン。 The steam turbine of claim 4, wherein the plurality of final stage buckets provide an exhaust annular area of about 112 ft 2 or greater. 前記複数の最終段バケットが約1,800rpm〜約3,600rpmの運転速度で回転する、請求項4に記載の蒸気タービン。   The steam turbine of claim 4, wherein the plurality of final stage buckets rotate at an operating speed of about 1,800 rpm to about 3,600 rpm. 前記複数の最終段バケットの先端シュラウド(410)が隣接最終段バケットの先端シュラウド間にギャップを有するような形状とされており、タービンホイールが所定の速度以上で回転し、そのタービンホイールの回転により前記複数の最終段バケットのねじれが戻ると、前記ギャップが閉じる、請求項4に記載の蒸気タービン。   The tip shrouds (410) of the plurality of last stage buckets are shaped to have a gap between the tip shrouds of adjacent last stage buckets, and the turbine wheel rotates at a predetermined speed or more, and the turbine wheel rotates. The steam turbine of claim 4, wherein the gap closes when the twists of the plurality of final stage buckets return. 前記複数の最終段バケットの中間スパンシュラウド(610)が隣接最終段バケットの中間スパンシュラウド間にギャップを有するような形状とされており、タービンホイールが所定の速度以上で回転し、そのタービンホイールの回転により前記最終段バケットのねじれが戻ると、前記ギャップが閉じる、請求項4に記載の蒸気タービン。   The intermediate span shrouds (610) of the plurality of final stage buckets are shaped to have a gap between the intermediate span shrouds of adjacent final stage buckets, and the turbine wheel rotates at a predetermined speed or more, and the turbine wheel The steam turbine according to claim 4, wherein the gap is closed when the twist of the last stage bucket is returned by rotation. ダブテール部(121)が軸挿入曲面ダブテールを含む、請求項4に記載の蒸気タービン。   The steam turbine according to claim 4, wherein the dovetail portion (121) comprises an axial insertion curved dovetail.
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