JP2010065689A

JP2010065689A - 蒸気タービンエンジンの低圧セクション用の蒸気タービン回転動翼

Info

Publication number: JP2010065689A
Application number: JP2009204187A
Authority: JP
Inventors: Alan Richard Demania; アラン・リチャード・デマニア; Steven Michael Delessio; スティーブン・マイケル・デレッシオ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2010-03-25
Also published as: EP2161413A3; EP2161413A2; US20100061842A1; US8052393B2; RU2009133264A

Abstract

【課題】蒸気タービンエンジン（１０）の低圧セクション用の蒸気タービン回転動翼（２０）を開示する。
【解決手段】本蒸気タービン回転動翼（２０）は、翼形部（４２）を含む。根元部（４４）が、翼形部（４２）の一端に取付けられる。タブテール部（４０）が、根元部（４４）から突出したダブテール部（４０）であってストレート軸方向挿入式ダブテール（４０）を含む。先端部（４６）が、根元部（４４）と反対側の端部において翼形部（４２）に取付けられる。カバー（４８）が、先端部（４６）の一部として一体に形成される。カバー（４８）は、翼形部（４２）の正圧面（３０）にオーバハングした第１の部分（５２）と翼形部（４２）の負圧面（３２）にオーバハングした第２の部分（５４）とを有する。カバー（４８）は、先端部（４６）に対して所定の角度で配置され、該角度は約１５°〜約３５°の範囲内にある。
【選択図】図２

Description

本発明は、広義には蒸気タービン用の回転動翼に関し、具体的には、蒸気タービンの低圧セクションの後段で用いるための作動速度の向上が可能な幾何形状をもつ回転動翼に関する。

蒸気タービンの蒸気流路は概して固定ケーシングとロータとで形成される。このような構成では、何枚かの固定静翼が周方向列の形態で蒸気流路に内向きに延在するようにケーシングに取付けられる。同様に、何枚かの回転動翼が周方向列の形態で蒸気流路に外向きに延在するようにロータに取付けられ。固定静翼と回転動翼は交互に列をなすように配置され、静翼列及び直ぐ下流の動翼列は段を形成する。静翼は蒸気の流れが下流の動翼列に正しい角度で流入するように、蒸気の流れを導く働きをする。動翼の翼形部は、蒸気からエネルギーを抽出してロータ及び該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させる。

蒸気が蒸気タービンを流れると、その圧力は各段毎に所望の吐出圧に達するまで順次降下する。従って、温度、圧力、速度及び水分量のような蒸気特性は、蒸気が流路を通って膨張する際に列毎に異なる。その結果、各動翼列には、その列に付随した蒸気条件に対して最適化された翼形状の動翼が用いられる。

蒸気条件に加えて、動翼は、作動時に経験する遠心荷重を考慮に入れて設計される。具体的には、ロータの高回転速度のため動翼には高い遠心荷重が加わり、動翼に応力を生じさせる。動翼での応力集中を低減することは設計上の課題であり、蒸気タービンの低圧セクションの後方の列の動翼では、動翼が大型でそのため重量も大きく、蒸気流の水分による応力腐食にも付されるので、課題も大きい。

タービンの低圧セクション用回転動翼の設計に関するこのような課題は、動翼に加わる力、動翼の機械的強度、動翼の共振周波数及び動翼の熱力学的性能が一般に動翼の翼形状で決まるというため、一段と困難になる。これらの考慮事項は、動翼の翼形状の選択に制約を加える。従って、所定の列の動翼の最適翼形状は、その形状に関する機械的特性と空気力学的特性との妥協によるものとなる。

米国特許第４２６０３３１号公報米国特許第５０６７８７６号公報米国特許第５１７４７２０号公報米国特許第５２６７８３４号公報米国特許第５２７７５４９号公報米国特許第５２９９９１５号公報米国特許第５３９３２００号公報米国特許第５４８０２８５号公報米国特許第５４９４４０８号公報米国特許第５５３１５６９号公報米国特許第５８２９９５５号公報米国特許第６１４２７３７号公報米国特許第６４３５８３３号公報米国特許第６４３５８３４号公報米国特許第６５６８９０８号公報米国特許第６５７５７００号公報米国特許第６６５２２３７号公報米国特許第６６８２３０６号公報米国特許第６８１４５４３号公報米国特許第６８４６１６０号公報米国特許第６８９３２１６号公報米国特許第７０９７４２８号公報米国特許第７１９５４５５号公報米国特許出願公開第２００７／０２９２２６５号公報

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.

本発明の一つの態様では、蒸気タービン回転動翼を提供する。本回転動翼は、翼形部を含む。翼形部の一端には根元部が設けられている。根元部からタブテール部が突出しているが、タブテール部はストレート軸方向挿入式ダブテールを含んでいる。翼形部の根元部とは反対側の端部に先端部が設けられている。先端部の一部としてカバーが一体に形成されている。カバーは、翼形部の正圧面にオーバハングした第１の部分と翼形部の負圧面にオーバハングした第２の部分とを有する。カバーは先端部に対して所定の角度で配置され、該角度は約１５°〜約３５°の範囲内にある。

本発明の別の態様では、蒸気タービンの低圧タービンセクションを提供する。本発明のこの態様では、複数の後段蒸気タービン動翼が、タービンロータホイールの周りに配置される。複数の後段蒸気タービン動翼の各々は、約２０．４インチ（５１．８２ｃｍ）以上の長さを有する翼形部を含む。翼形部の一端には根元部が設けられている。根元部からタブテール部が突出しているが、タブテール部はストレート軸方向挿入式ダブテールを含んでいる。翼形部の根元部とは反対側の端部に先端部が設けられている。先端部の一部としてカバーが一体に形成されている。カバーは、翼形部の正圧面にオーバハングした第１の部分と翼形部の負圧面にオーバハングした第２の部分とを有する。カバーは、先端部に対して所定の角度で配置され、該角度は約１５°〜約３５°の範囲内にある。

蒸気タービンの一部切欠き斜視図。本発明の一実施形態に係る蒸気タービン回転動翼の斜視図。図２に示す本発明の一実施形態に係る動翼の軸方向挿入式ダブテールの拡大斜視図。図２に示す本発明の一実施形態に係るカバーの拡大図を示す側面斜視図。本発明の一実施形態に係る隣接カバーの相互関係を示す斜視図。

以下、蒸気タービンに関する用途及び作動を例にとって、本発明の１以上の実施形態について説明する。さらに、以下では、公称規模及び公称寸法の組を参照して、本発明の１以上の実施形態について説明する。ただし、本発明が適宜どのようなタービン及び／又はエンジンにも同様に応用できることは、本明細書の教示内容に接した当業者には明らかであろう。さらに、本発明が様々なスケールの公称規模及び／又は公称寸法に同様に適用できることも本明細書の教示内容に接した当業者には明らかであろう。

図面を参照すると、図１は、蒸気タービン１０の一部切欠き斜視図を示す。蒸気タービン１０は、シャフト１４及び複数の軸方向に離隔したロータホイール１８を備えたロータ１２を含む。複数の回転動翼２０が、各ロータホイール１８に対して機械的に結合される。具体的には、動翼２０は各ロータホイール１８の周方向の列として配置される。複数の固定静翼２２がシャフト１４の周方向に配置され、軸方向には隣接動翼２０列の間に位置する。固定静翼２２は動翼２０と協働してタービン段を形成し、タービン１０を通る蒸気流路の一部を形成する。

作動中に、蒸気２４は、タービン１０の入口２６に流入しかつ固定タービン２２を通して送られる。静翼２２は蒸気２４を下流の動翼２０に向ける。蒸気２４は残りの段を通過し、動翼２０に力を与えてシャフト１４を回転させる。タービン１０の少なくとも一端は軸方向にロータ１２と遠位方向に延在していてもよく、特に限定されないが、発電機その他のタービンのような負荷又は機械（図示せず）に取付けることができる。従って、大型蒸気タービン装置は実際にすべて同一のシャフト１４に同軸に結合した複数のタービンを備えていることがある。かかる装置には、例えば高圧タービンが中圧タービンに結合し、中圧タービンが低圧タービンに結合したものがある。

図１に示す本発明の一実施形態では、タービン１０は、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４として示す５つの段を含む。段Ｌ４は第１段であって５段のうちで最小（半径方向に）のものである。段Ｌ３は、第２段であって軸方向における次の段である。段Ｌ２は、第３段であって５段のうちの中央に位置するものとして示す。段Ｌ１は、第４段であって最後から２番目の段である。段Ｌ０は、最終段であって最大（半径方向に）のものである。５つの段は一例にすぎず、低圧タービンの段の数は４以下でも、６以上でもよい。

図２は、本発明の一実施形態に係る蒸気タービン回転動翼２０の斜視図である。動翼２０は正圧面３０と負圧面３２とを有しており、それらは前縁３４と後縁３６でつながっている。動翼の翼弦長は、半径方向長さ３８のある地点での後縁３６から前縁３４まで測定した距離である。例示的な実施形態では、半径方向長さ３８つまり動翼長さは、約２０．４インチ（５１．８２ｃｍ）である。この例示的な実施形態における動翼長さは、約２０．４インチ（５１．８２ｃｍ）であるが、本明細書の教示内容がこの公称寸法の様々な縮尺に適用できることが当業者には明らかであろう。例えば、当業者は、１．２、２及び２．４のような縮尺係数で動翼２０を拡大して、それぞれ２４．４８インチ（６２．１８ｃｍ）、４０．８インチ（１０３．６３ｃｍ）及び４８．９６インチ（１２４．３６ｃｍ）の動翼長さを形成することができる。

動翼２０には、タブテール部４０と翼形部４２とそれらの間に延在する根元部４４が形成される。翼形部４２は、根元部４４から先端部４６まで半径方向外向きに延在する。カバー４８が先端部４６の一部として一体に形成され、それらの移行部にはフィレット半径５０が設けられる。図２に示すように、カバー４８は、翼形部４２の正圧面３０にオーバハングした第１の部分５２と翼形部４２の負圧面３２にオーバハングした第２の部分５４とを有する。カバー４８は、先端部４６に対して所定の角度で配置される。この角度は約１５°〜約３５°の範囲にあり、３１．９８°が好ましい角度である。例示的な実施形態では、タブテール部４０、翼形部４２、根元部４４及びカバー４８はすべて例えばＧＴＤ−４５０などの耐食性材料で単体構造部品として製作される。この例示的な実施形態では、動翼２０は、タブテール部４０を介してタービンロータホイール１８（図１に示す）に結合しロータホイール１８から半径方向外向きに延在する。

図３は、図２に示す本発明の一実施形態に係る動翼のタブテール部４０の拡大斜視図である。この実施形態では、タブテール部４０は、タービンロータホイール１８（図１に示す）内に形成された嵌合スロットと係合するストレート軸方向挿入式ダブテールを含む。一実施形態では、このストレート軸方向挿入式ダブテールは、タービンロータホイール１８（図１に示す）と係合するように構成された８つの接触面を有する４フック設計を含む。ストレート軸方向挿入式ダブテールは、平均及び局所応力の分布、過速度状態時における保護、並びに適切な低サイクル疲労（ＬＣＦ）マージンが得られるとともに翼形根元部４４に適合するようにするのが好ましい。さらに、図３は、タブテール部４０が、一実施形態では約７．０インチ（１７．７８ｃｍ）〜約１６．８インチ（４２．６７ｃｍ）の範囲にすることができるダブテール軸方向幅４３を有し、７．０インチ（１７．７８ｃｍ）が好ましい幅であることを示している。タブテール部４０はロックワイヤを保持して動翼２０の軸方向位置を維持する約３６０°のグルーブ４１を含む。ストレート軸方向挿入式ダブテールに含まれるフックの数が５以上であっても、３以下であってもよいことは当業者には自明であろう。本願出願人による本願と同日付けの「DOVETAIL FOR STEAM TURBINE ROTATING BLADE AND ROTOR WHEEL」と題する米国特許出願番号第１２／２０５９３９号（ＧＥ社整理番号２２９０８４）には、ストレート軸方向挿入式ダブテールに関するさらに詳細な説明が記載されている。

図３には、タブテール部４０の細部だけでなく、根元部４４からタブテール部４０が突き出ている移行部の拡大図も示している。具体的には、図３は、根元部４４がタブテール部４０のプラットフォーム６０へと移行する位置でのフィレット半径５８を示している。

図４は、図２に示す本発明の一実施形態に係るカバー４８の拡大図を有する側面斜視図を示す。上述のように、カバー４８は、翼形部４２の正圧面３０にオーバハングした第１の部分５２と翼形部４２の負圧面３２にオーバハングした第２の部分５４とを有する。第１の部分５２は、第２の部分５４の長さよりも大幅に大きい長さを有する。カバー４８は、先端部４６に対して所定の角度で配置される。一実施形態では、この角度は、約１５°〜約３５°の範囲にあり、３１．９８°が好ましい角度である。図４は、カバー４８が、動翼２０の前縁３４から、動翼２０の後縁３６から所定の距離だけ離隔した位置６２まで先端部４６に沿って延在することも示している。シールストリップ６４が、動翼２０の前縁３４から、動翼２０の後縁３６から所定の距離だけ離隔した位置６２まで先端部４６に沿って延在する。シールストリップ６４は、先端部４６での蒸気漏れを低減するように設計される。図４は、カバー４８の第１の部分５２が、蒸気タービン動翼段の隣接カバーと接触しないように構成された非接触面６６を含み、カバー４８の第２の部分５４が該蒸気タービン動翼段の隣接カバーと接触するように構成された接触面６８を有することも示している。

図５は、本発明の一実施形態に係る隣接カバーの相互関係を示す斜視図である。一般に、カバー４８は、最初の組立て時及び／又は速度ゼロの状態で、隣接カバー間の非接触面６６での間隙７０と接触面６８での接触とを生じるように設計される。一実施形態では、間隙７０は、約０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）〜約０．０１５インチ（０．３８１ｍｍ）の範囲にすることができる。タービンロータホイール１８（図１に示す）が回転すると、動翼２０は、捩れが低減するように移動し始める。動翼２０の毎分回転数（ｒｐｍ）が作動レベルに近づくと、動翼は、遠心力によって捩れが低減するように移動し、接触面６６での間隙が閉じて互いに整列して、隣接カバーとの間に名目干渉を生じる。その結果、動翼は、単一の連続結合構造体を形成する。この相互連結カバーによって、動翼剛性の向上、動翼減衰性の向上及び動翼２０の外側半径方向位置でのシール作用の向上が得られる。

例示的な実施形態では、動翼２０の作動レベルは３６００ｒｐｍであるが、本明細書の教示内容がこの公称規模の様々なスケールに適用できることは当業者には自明であろう。例えば、当業者は、１．２、２及び２．４のような縮尺係数で作動レベルを拡大して、それぞれ３０００ｒｐｍ、１８００ｒｐｍ及び１５００ｒｐｍで作動する動翼を製作することができる
本発明の一実施形態に係る動翼２０は、好ましくは蒸気タービンの低圧セクションのＬ１段で使用される。ただし、動翼はその他の段又はセクション（例えば、高圧又は中圧セクション）でも同様に使用できる。上述のように、動翼２０における好ましい動翼長さは、約２０．４インチ（５１．８２ｃｍ）である。この動翼長さは、約４３．１４ｆｔ²（４．０ｍ²）のＬ１段出口環状空間面積をもたらすことができる。この広く改良された出口環状空間面積は、蒸気がＬ１段動翼から出る際の運動エネルギーの損失を低減させることができる。この損失の低減によって、タービン効率が向上する。

上述の通り、動翼長さを別の動翼長さに拡大すると、出口環状空間面積も拡大することは当業者には自明であろう。例えば、１．２、２及び２．４のような縮尺係数を使用して、それぞれ２４．４８インチ（６２．１８ｃｍ）、４０．８インチ（１０３．６３ｃｍ）及び４８．９６インチ（１２４．３６ｃｍ）の動翼長さを形成すると、それぞれ約６２．１２ｆｔ²（５．８ｍ²）、１７２．５０ｆｔ²（１６．００ｍ²）及び２４８．４６ｆｔ²（２３．０８ｍ²）の出口環状空間面積が得られる。

以上、本発明の好ましい実施形態を参照して本発明を例示し説明してきたが、当業者は様々な変更及び改良を想到し得るであろう。従って、特許請求の範囲は、本発明の技術思想の範囲に属するあらゆる改良及び変更を包含する。

１０蒸気タービン
１２ロータ
１４シャフト
１８ロータホイール
２０回転動翼
２２静翼
２４蒸気
２６入口
３０正圧面
３２負圧面
３４前縁
３６後縁
３８半径方向長さ
４０タブテール部
４１グルーブ
４２翼形部
４３ダブテール軸方向幅
４４根元部
４６先端部
４８カバー
５０カバーと先端部との間のフィレット半径
５２カバーの第１の部分
５４カバーの第２の部分
５８ロータセクションとタブテール部との間のフィレット半径
６０プラットフォーム
６２カバーが後縁から離れた所定の距離まで延在する位置
６４シールストリップ
６６非接触面
６８接触面
７０間隙

Claims

翼形部（４２）と、
翼形部（４２）の一端に設けられた根元部（４４）と、
根元部（４４）から突出したダブテール部（４０）であってストレート軸方向挿入式ダブテール（４０）を含むタブテール部（４０）と、
翼形部（４２）の根元部（４４）とは反対側の端部に設けられた先端部（４６）と、
先端部（４６）の一部として一体に形成されたカバー（４８）と
を備える蒸気タービン回転動翼（２０）であって、
カバー（４８）が、翼形部（４２）の正圧面（３０）にオーバハングした第１の部分（５２）と翼形部（４２）の負圧面（３２）にオーバハングした第２の部分（５４）とを有し、カバー（４８）が先端部（４６）に対して所定の角度で配置され、該角度が約１５°〜約３５°の範囲内にある、蒸気タービン回転動翼（２０）。
カバー（４８）の第２の部分（５４）が、動翼（２０）の前縁（３４）から、動翼（２０）の後縁（３６）から所定の距離だけ離隔した位置（６２）まで先端部（４６）に沿って延在するシールストリップ（６４）を含む、請求項１記載の蒸気タービン回転動翼（２０）。
カバー（４８）の第１の部分（５２）が、蒸気タービン動翼（２０）の段の隣接カバーと接触しないように構成された非接触面（６６）を含み、第２の部分（５４）が蒸気タービン動翼（２０）の段の隣接カバーと接触するように構成された接触面（６８）を含む、請求項１記載の蒸気タービン回転動翼（２０）。
ストレート軸方向挿入式ダブテール（４０）が約７．０インチ（１７．７８ｃｍ）〜約１６．８インチ（４２．６７ｃｍ）の幅を有する、請求項１記載の蒸気タービン回転動翼（２０）。
該動翼（２０）が約４３．１４ｆｔ²（４．０ｍ²）以上の出口環状空間面積を含む、請求項１記載の蒸気タービン回転動翼（２０）。
該動翼（２０）が、約１５００ｒｐｍ〜約３６００ｒｐｍの範囲内の作動速度を有する、請求項１記載の蒸気タービン回転動翼（２０）。
タービンロータ（１８）の周りに配置された複数の後段蒸気タービン動翼（２０）を備える、蒸気タービン（１０）の低圧タービンセクションであって、複数の後段蒸気タービン動翼（２０）の各々が、
２０．４インチ（５１．８２ｃｍ）以上の長さを有する翼形部（４２）と、
翼形部（４２）の一端に設けられた根元部（４４）と、
根元部（４４）から突出したダブテール部（４０）であってストレート軸方向挿入式ダブテール（４０）を含むタブテール部（４０）と、
翼形部（４２）の根元部（４４）とは反対側の端部に設けられた先端部（４６）と、
先端部（４６）の一部として一体に形成されたカバー（４８）と
を備えており、カバー（４８）が翼形部（４２）の正圧面（３０）にオーバハングした第１の部分（５２）と翼形部（４２）の負圧面（３２）にオーバハングした第２の部分（５４）とを有し、カバー（４８）が先端部（４６）に対して所定の角度で配置され、該角度が、約１５°〜約３５°の範囲内にある、低圧タービンセクション。
複数の後段蒸気タービン動翼（２０）のカバー（４８）が、隣接カバー（４８）との間に公称間隙（７０）をもって組立てられる、請求項７記載の低圧タービンセクション。
公称間隙（７０）が約０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）〜約０．０１５インチ（０．３８１ｍｍ）の範囲内にある、請求項８記載の低圧タービンセクション。
複数の後段蒸気タービン動翼（２０）のカバー（４８）が単一の連続結合構造体を形成する、請求項７記載の低圧タービンセクション。