JP2009257328A - 低排気損失タービン及び排気損失を最小限に抑制する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書に開示するのは、複数最終段バケットタービン（２２）における損失を最小限に抑制する方法である。
【解決手段】本方法は、複数最終段バケットタービン（２２）に利用可能な吸気流量（２６）を決定するステップと、既設計最終段バケットの組から複数最終段バケット（３０，３４）を選定するステップとを含む。複数最終段バケット（３０，３４）は、互いに異なりかつ複合した時に利用可能な吸気流量（２６）に一致する吸気流量（５４，５８）を有し、既設計最終段バケットの組からの複数同一寸法最終段バケットよりも全排気損失（９４，９８）が低くなるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、低排気損失タービン及びタービンの排気損失を最小限に抑制する方法に関する。

例えば蒸気タービンエンジンのような機械における損失を最小にしかつ性能を改善することは、そのような機械のオペレータにとって興味深いことである。最終段バケット（ＬＳＢ）性能は、蒸気タービンの全体的性能に大きな役割を果たす。完全に新規な最終段バケットを設計しかつ開発することは、製造の準備が整うまでに必要とされる全ての高価かつ広範なテストのため完了までに費用と年数がかかる可能性がある。従って、新規な用途における使用のために又は既存の用途における交換のために既設計最終段バケットの選集から最終段バケットを選定することは、よくあることである。そのようなケースでは、設計者は一般に、最も経済的である既設計最終段バケットを選定する。低圧タービン用途では、複数最終段バケットを使用することには、同一の選定既設計最終段バケットの１以上を使用することが含まれる。しかしながら、そのようにすることにより、最終段バケット、従って低圧タービンの性能がほとんど望ましくないものとなるおそれがある。

特開平０９−０４１９０６号公報 特開昭６３−１９５３０４号公報 特開昭５９−１５０９０９号公報 特開平１０−１２１９１０号公報 特開昭６３−１９５３０３号公報 特開昭６０−２３７１０３号公報

本明細書に開示するのは、複数最終段バケットタービンにおける損失を最小限に抑制する方法である。本方法は、複数最終段バケットタービンに利用可能な吸気流量を決定するステップと、既設計最終段バケットの組から複数最終段バケットを選定するステップとを含む。複数最終段バケットは、互いに異なる流量であって組み合わせたときに利用可能な吸気流量に一致する流量を有しており、全排気損失が低下する。

本明細書にさらに開示するのは、複数最終段バケットタービンの性能を改善する方法である。本方法は、複数最終段バケットタービンに利用可能な吸気流量を決定するステップと、該利用可能な吸気流量の異なる量を複数既設計異寸法最終段バケットの各々に割り当て、それによって利用可能な全吸気流量の等量部分を複数既設計同一寸法最終段バケットの各々に割り当てるのに比較して複数最終段バケットタービンの排気損失を最小にするステップとを含む。

本明細書にさらに開示するのは、複数最終段バケットタービンである。本複数最終段バケットタービンは、既設計最終段バケットの群から選定された第１の最終段バケットと、
既設計最終段バケットの群から選定された、該第１の最終段バケットとは異なる１以上の付加的最終段バケットとを含み、第１の最終段バケット及び１以上の付加的最終段バケットは、既設計最終段バケットの群から選定された複数同一寸法最終段バケットによる複合排気損失よりも少ない複合排気損失を有する。

以下の説明は、多少なりとも限定するものであると考えてはならない。添付の図面では、同様の要素に同じ符号を付している。

蒸気タービンエンジンの部分概略図。 その各々において異なる流路面積及び異なる排気損失対流体速度をもつ複数最終段バケットを有する低圧複数最終段バケットタービンセクションを示す図。

本明細書では、開示した装置及び方法の１以上の実施形態の詳細な説明は、図と関連させて例示として示しており、限定として示すものではない。

図１を参照すると、蒸気タービンエンジン１０の概略図を示している。蒸気タービンエンジン１０は、本明細書に開示したように、高圧タービン１４、中圧タービン１８及び複流低圧タービン２２を含む。複流低圧タービン２２は、中圧タービン１８の排気により供給された蒸気で形成された利用可能な吸気流（量）２６を有する。複流低圧タービン２２は、２つの最終段バケット３０，３４を含む。本明細書の開示では、複流低圧タービン２２の望ましい性能を達成するように２つの最終段バケット３０，３４を選ぶ方法について以下に詳細に説明する。上記の実施形態には複流低圧タービンを開示しているが、別の実施形態では、複数低圧流を備えた複数低圧タービンを使用することができる。

図２を参照すると、本明細書に開示した本発明の実施形態では、第１の最終段バケット３０と第２の最終段バケット３４とを含む複流低圧タービン２２を示している。第１の最終段バケット３０及び第２の最終段バケット３４は、異なる寸法のものであり、従って最終段バケット３０，３４の各々は、異なる流路面積を有する。複流低圧タービン２２に利用可能な吸気流量２６は、第１の最終段バケット３０に流れる第１の吸気流量５４が第２の最終段バケット３４に流れる第２の吸気流量５８よりも多くなるように不均等に分割される。従って、第１の吸気流量５４は、利用可能な吸気流量２６の半分よりも多く、また第２の吸気流量５８は、利用可能な吸気流量２６の半分よりも少ない。別の実施形態では、これらの流量関係は、第１の最終段バケット３０に流れる第１の吸気流量５４が第２の最終段バケット３４に流れる第２の吸気流量５８よりも少なくなるように、逆にすることができる。吸気流量５４，５８と流路面積によって、以下の等式に基づいて、それぞれ最終段バケット３０，３４を流れる流体速度６４，６８が決まる。

速度＝（体積流量）／（面積） （１）
最終段バケット３０，３４の各々は、性能（排気損失によって測定）とそれぞれ曲線７４及び７８に示す流体速度との間の関係を有する。曲線７４，７８は、排気損失を最小にすること９４，９８に基づいて所望（目標）流体速度８４，８８を明らかにしている。曲線７４，７８で解るように、流量５４，５８で作動している最終段バケット３０，３４における流体速度６４，６８は、所望流体速度８４，８８に実質的に等しいので、最終段バケット３０，３４は、それらの所望性能レベルで作動している。この実施形態では、排気損失９４及び９８は、それぞれ曲線７４及び７８の最小値にある。第１の吸気流量５４は所望流体速度８４を生じるので、第１の吸気流量５４もまた、第１の最終段バケット３０に対する所望吸気流量である。同様に、第２の吸気流量５８は所望流体速度８８を生じるので、第２の吸気流量５８もまた、第２の最終段バケット３４に対する所望吸気流量である。

異なる所望吸気流量５４，５８で２つの最終段バケット３０，３４を使用することによって、複合所望吸気流量５２は、利用可能な吸気流量２６に一致するようにすることができる。本明細書に開示した実施形態は、設計者が、複数最終段バケットタービンへの複合所望吸気流量を、利用可能な既設計最終段バケットからの２つの同一寸法最終段バケットを使用する最新の方法によって達成することができるよりも利用可能な吸気流量に一層正確に一致させるのを可能にすることができる。これが不一致であると、バケットは、それらの所望吸気流量以上又は以下である吸気流量で作動することになり、このことは、最終段バケットの各々における流体速度がそれらの所望流体速度よりも大きいか又は小さいかのいずれかであることに相当する。これは、所望排気損失９４及び９８以上である排気損失で作動しているものとして、曲線７４及び７８上で観察することができる。最終段バケット３０，３４の各々の作動は、それぞれ曲線７４及び７８におけるラインに沿っていなければならず、最終段バケットの作動が所望排気損失９４及び９８以上である時は何時でも、最終段バケットは、ライン上の２つの点の１つで作動しており、その一方は、所望流体速度８４及び８８以上であり、またその他方は、所望流体速度８４及び８８以下である。そのような状態では、複合排気損失は、所望排気損失９４，９８で作動している２つの最終段バケットの複合排気損失よりも大きくなることになる。

有限数だが既設計最終段バケットが存在し（従って、選定に使用可能であり）また幾つかの新規な用途のための新規な最終段バケットを開発する時間、費用及び労力を回避することができるので、本明細書に開示した実施形態は、設計者が既設計最終段バケットの有限リストから最終段バケットを選定するために使用することができるツールを提供する。タービンシステムの設計者は、利用可能な全吸気流量２６に一致する複合所望吸気流量を共に有することになる複数異寸法最終段バケット３０及び３４を、複数既設計同一寸法最終段バケットによって一致させることができるよりも低い全排気損失になるように選定する（既設計のかつ利用可能な最終段バケットのリストから）ことができる。複数最終段バケットが選ばれると、設計者は、低圧タービン吸気面積比又はその他の機械的装置に基づいて所望吸気流量５２を分割するように流量分割を容易に設計して、それぞれ２つの最終段バケット３０，３４の各々に対する所望吸気流量５４，５８を改善する。蒸気タービンの寸法に応じて、例えば第３、第４、第５又は第６最終段バケットへの複数低圧流について、同様のことを行うことができる。

１つ又は複数の例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなくそれらの要素に対して様々な変更を加えることできまた均等物で置き換えることができることは、当業者には解るであろう。加えて、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的要件を本発明の教示に適合させるように、多くの変更を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。また、図面及び説明では、本発明の例示的な実施形態を開示しており、また特定の用語を使用してきたが、それらは、特記しない限り、限定するためではなくて一般的かつ説明的な意味でのみ使用しており、従って本発明の技術的範囲は、そのように限定されるものではない。さらに、「第１の」、「第２の」などの用語の使用は、いかなる序列又は重要度も意味するものではなく、むしろそれらの用語は、１つの要素を他の要素から区別するために使用している。さらに、数詞のない用語の使用は、数量の限定を意味するものではなく、むしろ記載したアイテムの少なくとも１つが存在することを意味している。

１０ 蒸気タービンエンジン
１４ 高圧タービン
１８ 中圧タービン
２２ 複数最終段バケット
２６ 利用可能な吸気流量
３０，３４ 最終段バケット
５２ 所望吸気流量
５４ 第１の吸気流量
５８ 第２の吸気流量
６４，６８ 速度
７４，７８ 曲線
８４，８８ 所望速度
９４，９８ 所望排気損失

Claims (10)

1. 複数最終段バケットタービン（２２）における損失を最小限に抑制する方法であって、
   前記複数最終段バケットタービン（２２）に利用可能な吸気流量（２６）を決定するステップと、
   互いに異なる流量（５４，５８）であって組み合わせたときに上記利用可能な吸気流量（２６）に一致する流量（５４，５８）を有する複数最終段バケット（３０，３４）を、既設計最終段バケットの組からの複数同一寸法最終段バケット（３０，３４）よりも全排気損失（９４，９８）が低くなるように該既設計最終段バケットの組から選定するステップと
   を含む方法。
2. 排気損失（９４，９８）を最小にするステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 複数最終段バケットタービン（２２）の性能を改善する方法であって、
   前記複数最終段バケットタービン（２２）に利用可能な全吸気流量（２６）を決定するステップと、
   前記利用可能な全吸気流量（２６）の異なる量を複数既設計異寸法最終段バケット（３０，３４）の各々に割り当て、それによって該利用可能な全吸気流量（２６）の等量部分を複数既設計同一寸法最終段バケット（３０，３４）の各々に割り当てるのに比較して前記複数最終段バケットタービン（２２）の排気損失（９４，９８）を最小にするステップと
   を含む方法。
4. 前記割り当てるステップが、前記利用可能な全吸気流量（２６）を、前記複数既設計異寸法最終段バケット（３０，３４）の各々についての排気損失対流体速度曲線（７４，７８）に基づいて該複数既設計異寸法最終段バケット（３０，３４）の各々に対して所望吸気流量（５２）に一致するように分割するステップを含む、請求項３記載の方法。
5. 面積及び流量を用いて前記流体速度を計算するステップをさらに含む、請求項４記載の方法。
6. 前記流体速度を（体積流量）／（面積）として計算するステップをさらに含む、請求項４記載の方法。
7. 既設計最終段バケットの群から選定された第１の最終段バケット（３０）と、
   前記既設計最終段バケットの群から選定された、前記第１の最終段バケット（３０）とは異なる１以上の付加的最終段バケット（３４）と、を含み、
   前記第１の最終段バケット（３０）及び１以上の付加的最終段バケット（３４）が、前記既設計最終段バケットの群から選定された複数同一寸法最終段バケットによる複合排気損失よりも少ない複合排気損失（９４，９８）を有する、
   複数最終段バケットタービン（２２）。
8. 利用可能な全吸気流量を前記第１の最終段バケット（３０）及び１以上の付加的最終段バケット（３４）に対して不均等に分割する吸気流量分割機構をさらに含む、請求項７記載の複数最終段バケットタービン（２２）。
9. 前記吸気流量分割機構が、複数低圧流間の異なる低圧タービン面積比又は何らかのその他の機械的装置を含む、請求項８記載の複数最終段バケットタービン（２２）。
10. 前記既設計最終段バケットの群が、既存最終段バケット（３０，３４）を含む、請求項７記載の複数最終段バケットタービン（２２）。

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