JP2010156329A - 蒸気タービン排気ディフューザに関する方法、システム及び／又は装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気蒸気圧力回復及びタービンの全体性能を向上させる新しい幾何学的構造を提供すること。
【解決手段】軸方向蒸気流路を画成するロータ（１１２）及びケーシング（１１６）と、排気蒸気を拡散し、該排気蒸気を略軸流方向から略横又は垂直及び接線方向に転向するためのトロイダルディフューザ（４０）とを備え、トロイダルディフューザ（４０）が、トロイド（４１）の形状又はトロイド（４１）のセクションを少なくとも部分的に組み込むディフューザを含む軸流蒸気タービン流路。
【選択図】 図３

Description

本願は、広義にはタービンエンジンの効率及び／又は作動を改善するための方法、システム及び／又は装置に関する。より具体的には、限定ではないが、本願は、改善された蒸気タービンディフューザ及び関連部品に関係する方法、システム及び／又は装置に関する。

従来の蒸気タービン設計では、例えば二重フローダウン排気ユニットとすることができる蒸気タービンの内側ケースは、垂直方向に分割され且つタービンの両側及び両端に沿って延びる包括的排気フードを有する。この大型の箱形構造は、タービンの低圧セクション全体を収容する。タービンからの排気蒸気は、略軸方向下流側に流れる。その結果、蒸気排気は、軸流方向から該軸流方向に対して９０°の流れ方向に再配向される。この９０°流れ方向は、下方、上方又は横方向の何れかの平面内にあることができる。

一般に、蒸気タービンの従来の排気フードは、蒸気流を直角に転向及び拡散するための円錐セクションの出口端部に大きな直線状構造を構成する。従って、蒸気流路は幾分蛇行し、損失及び不都合な圧力低下をもたらした。また、メンテナンスの目的でタービンの種々の部品（例えば、軸受）にアクセスすることは、排気フードの上半分の取り外しを必要とする可能性がある点で困難であることは理解されるであろう。更に、従来の蒸気タービンにおいて排気フードは通常、タービンの内側ケーシング及びダイアフラム及び同様のものなどの関連する蒸気通路部品を支持することは理解されるであろう。従って、排気蒸気圧力回復及びタービンの全体性能を向上させる新しい幾何学的構造を提供する必要性があることが判明した。

米国特許第６１３４８７６号明細書 米国特許第６４１９４４８号明細書

従って、本願は、軸方向蒸気流路を画成するロータ及びケーシングと、排気蒸気を拡散し、該排気蒸気を略軸流方向から略横又は垂直及び接線方向に転向するためのトロイダルディフューザとを備える軸流蒸気タービン流路を記載する。幾つかの実施形態において、トロイダルディフューザは、トロイドの形状又はトロイドのセクションを少なくとも部分的に組み込むディフューザを含む。

幾つかの実施形態において、トロイダルディフューザは、最後のタービンセクションから蒸気が出るときの該蒸気の初期ガイドとしての機能を果たす円錐ガイドと、トロイダルディフューザの主チャンバの上半分を画成するトロイダルセクションと、ディフューザの主チャンバの下半分を画成し出口への流路を与える直線セクションとを含む。幾つかの実施形態において、トロイダルセクションはトロイダル形状の略半分を含む。

幾つかの実施形態において、トロイダルセクションは、ロータに対して略水平の円周方向位置で直線セクションと係合し、トロイダルセクションを形成するトロイド４１の軸線がタービンのロータを含み、円錐ガイドの上流側端部が、フレキシブルジョイントにより内側ケーシングに結合され、円錐ガイドが、タービンの最終段から出る蒸気の半径方向外側境界を含み、円錐ガイドが、フレキシブルジョイントからの距離が大きくなるにつれて円錐ガイドの断面半径が増大するような拡大円錐形状を含む。

幾つかの実施形態において、円錐ガイドの下流側端部がフレアリップ部を含み、円錐ガイドが、トロイダルセクション及び／又は直線セクションに延び、該円錐ガイドは、トロイダルセクション及び直線セクションの軸方向幅の略半分にわたって延びる。幾つかの実施形態において、円錐ガイドを通って移動する蒸気の内側境界が、タービンのロータの回りに配置された円筒形ロータプレートを含み、該円筒形ロータプレートが、ロータを内包し、タービンの最終段からトロイダルディフューザの下流側壁に軸方向に延びる滑らかな円筒形状を含む。

幾つかの実施形態において、ケーシング及びトロイダルディフューザは、支持構造上に互いに対して独立して装着される。幾つかの実施形態において、ケーシング及びトロイダルディフューザをフレキシブル接続部が連結し、該フレキシブル接続部が、熱膨張の差を許容するように構成された膨張ベローズを含む。幾つかの実施形態において、ロータ用の軸受が、タービンの支持構造により直接支持される１以上の支柱上に支持される。

本願のこれら及び他の特徴は、図面及び添付の請求項を併用しながら以下の詳細な説明を精査すると明らかになるであろう。

従来の設計による二重フローダウン排気蒸気タービンの略半分の概略断面図。 本願の例示的な実施形態による、トロイダル形状を有する排気ディフューザを示す蒸気タービンの略半分の概略側断面図。 本願の例示的な実施形態による、トロイダル形状を有する排気ディフューザの下流側から見た概略断面図。 本願によるディフューザを形成することができる例示的なトロイダル形状の図。

本発明のこれら及び他の目的並びに利点は、図面及び添付の請求項を併用しながら本発明の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を詳細に検討することによって完全に理解され認識されるであろう。

ここで各図面、特に図１を参照すると、複数のタービンバケット１４を装着したロータ１２を含む蒸気タービンの一部が全体的に参照符号１０で示されている。また、内側ケーシング１６は、複数のダイアフラム又はステータブレード１８を装着して示されている。中心に配置された略半径方向の蒸気入口２０は、タービンの対向する軸方向側部上のタービンバケット１４及びステータブレード１８の各々に蒸気を加え、ロータ１２を駆動する。ダイアフラムのステータベーン１８及び軸方向に隣接したバケット１４は、タービン１０の種々の段及びそこを貫通する流路を形成する。蒸気は、タービンの最終段から排気され、ディフューザを通って凝縮器（図示せず）に流れるようにされることは理解されるであろう。

図１にはまた、タービン１０の内側ケーシング１６並びに軸受などの他の部品を囲み且つ支持する外側排気フード２２が示されている。図１の図中で、タービン１０は、タービン１０から排出される蒸気を出口２６に配向して１以上の凝縮器（図示せず）に流すようにするための蒸気ガイド２４を含む。タービン１０を支持する排気フード２２、軸受及び付属部品を用いると、図示のような排気蒸気通路は、蛇行しており、圧力損失を生じやすい。当業者には理解されるように、これは性能及び効率の低下を招くことになる。

ここで図２及び３を参照すると、本発明の１つの態様が示されており、ここでは同じ部品に対して図１と同じ参照符号が数字「１」の後に適用される。図示のように、本発明による例示的なトロイダルディフューザ４０を採用して、従来技術の排気フード２２は完全に排除されている。本明細書で使用され、以下でより詳細に検討する「トロイダルディフューザ」とは、少なくとも部分的にトロイド形状又はトロイドのセクションを組み込んだディフューザである。例示的なトロイドであるトロイド４１が図４に示されている。図示のように、トロイドは、円と接していない同一平面上の軸の回りに３次元空間内で円を回転させることによって生成される形状である。通常、トロイドは、回転される円形状を含むが、本明細書で使用されるように、トロイドは、楕円などの略円形の形状を含むこともできる。

好ましい実施形態によれば、トロイダルディフューザ４０は一般に、最後のタービンセクションから蒸気が出るときの初期ガイドとしての機能を果たす円錐ガイド４５と、ディフューザの本体又はチャンバの上半分を図示のように定めるトロイダルセクション４２と、ディフューザの本体又はチャンバの下半分を画成し出口４６への流路を与える直線セクション４３とを含む。トロイダルセクション４２は、トロイダル形状の略半分を含むことができるが、他の形状も実施可能である。トロイダルセクション４２は、ロータ１１２に対して略水平の円周方向位置で直線セクション４３と係合しこれに移行する。トロイダルセクション４２を形成するトロイダル軸は、一般にロータ１１２である。

トロイダルディフューザ４０は、より効率的でコスト効率のよい様態で動作させることを可能にする他の部品を含むことができる。幾つかの好ましい実施形態では、上述のように、トロイダルディフューザ４０は、円錐ガイド４５を含むことができる。図示のように、円錐ガイド４５の上流側端部は、フレキシブルジョイント４４により内側ケーシング１１６に結合することができる。円錐ガイド４５は一般に、タービンの最終段から出る蒸気の半径方向外側境界を与える。図示のように、円錐ガイド４５は一般に、ロータ１１２に沿った軸線を有する拡大円錐形状を含む。従って、円錐ガイド４５は、断面増大区域を有し、これにより流出する蒸気が膨張し、その結果蒸気圧力を低下させることができる。特に、円錐ガイド４５は、フレキシブルジョイント４４からの距離が大きくなるにつれて増大する断面直径を有する。円錐ガイド４５は、下流側に延びてフレアリップ部４７で終端する。フレアリップ部４７は、トロイダルセクション４２への流れを円滑にし、蒸気の圧力を減少させるのを助ける。図示のように、円錐ガイド４５は、トロイダルセクション４２及び／又は直線セクション４３に延びることができる。より具体的には、円錐ガイド４５は、トロイダルセクション４２及び／又は直線セクション４３の軸方向幅の略半分にわたって延びることができる。好ましい実施形態によれば、円錐ガイド４５を通って移動する蒸気の内側境界は、円筒形に形成されたロータプレート４９により規定することができる。円筒形ロータプレート４９は一般に、ロータを内包し、タービンの最終段からトロイダルディフューザ４０の下流側壁に軸方向に延びる滑らかな円筒形状を形成する。ロータプレート４９の軸線はまた、ロータ１１２とすることができる。

本発明の実施形態によるトロイダルセクション４２の幾何形状は、流出蒸気を膨張させてその圧力を低下させるのに有効であることが判っている。これらの利点は、トロイダルセクション４２と円錐ガイド４５とを組合せることによって更に強化される。トロイダルセクション４２及び／又は円錐ガイド４５を伴ったトロイダルディフューザ４０はまた、拡散された蒸気を最小の圧力損失で出口４６に誘導するのに有効である。出口４６はダウン排気である必要はないが、側部又は上方に配向される排気とすることができる点は理解されるであろう。

タービンの蒸気排出側でのトロイド内の蒸気拡散に起因した性能向上とは別に、追加の利点がある。例えば、従来の蒸気タービンの排気フードが排除され、もはや排気フードにより内側ケーシング及びダイアフラムなどの関連蒸気通路部品を支持する必要性がない。排気フードはもはや内側ケーシングを内包するのに使用されないので、コスト低減も実現される。これまで必要であった蒸気ガイドも完全に排除される。重要なことには、タービンの内側ケーシング及びトロイダルディフューザは各々、タービンの支持構造から直接支持される。これを可能にするために、内側ケーシングとトロイダルディフューザ４０との間にフレキシブル接続部４４（図２）が設けられる。フレキシブル接続部は、熱膨張の差を許容する膨張ベローズのような多くの異なるタイプのものとすることができる。更に、タービン軸受の支持のために上記で利用された排気フードはもはや必要とはされない。図２に示すように、軸受５４は、タービンの支持構造によって直接支持される支柱上に支持することができる。従って、支柱は、軸受を堅固に支持し、タービンの信頼性を結果として向上させる。トロイダルディフューザ４０は、所要の構造的完全性及び所望の蒸気流拡散特性を得るために、複合材料、鋼板又はパイプ、構造用鋼、繊維強化プラスチック又はこれらの材料の組合せから形成することができる。

本発明の好ましい実施形態の上記説明から、当業者であれば、改善形態、変更形態及び修正形態が明らかであろう。当該技術分野の範囲内にあるこのような改善形態、変更形態及び修正形態は、添付の請求項によって保護されるものとする。更に、上記のことは、本願の好ましい実施形態にのみに関連しているが、添付の請求項及びその均等物によって定められる本願の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によって多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる点を理解されたい。

１０ 蒸気タービン
１２ ロータ
１４ タービンバケット
１６ 内側ケーシング
１８ ステータブレード
２０ 蒸気入口
２２ 外側排気フード
２４ 蒸気ガイド
２６ 出口
４０ トロイダルディフューザ
４１ トロイド
４５ 円錐ガイド
４２ トロイダルセクション
４３ 直線セクション
４６ 出口
１１２ ロータ
１１６ 内側ケーシング
４４ フレキシブルジョイント
４７ フレアリップ部
４９ ロータプレート
５４ 軸受
５６ 支柱

Claims (10)

1. 軸流蒸気タービン流路であって、
   軸方向蒸気流路を画成するロータ（１１２）及びケーシング（１１６）と、
   排気蒸気を拡散し、該排気蒸気を略軸流方向から略横又は垂直及び接線方向に転向するためのトロイダルディフューザ（４０）と
   を備える軸流蒸気タービン流路。
2. 前記トロイダルディフューザ（４０）が、トロイド（４１）の形状又はトロイド（４１）のセクションを少なくとも部分的に組み込むディフューザを含む、請求項１記載の流路。
3. 前記トロイダルディフューザ（４０）が、
   最後のタービンセクションから蒸気が出るときの該蒸気の初期ガイドとしての機能を果たす円錐ガイド（４５）と、
   前記トロイダルディフューザ（４０）の主チャンバの上半分を画成するトロイダルセクション（４２）と、
   前記ディフューザの主チャンバの下半分を画成し出口（４６）への流路を与える直線セクション（４３）と
   を含む、請求項１記載の流路。
4. 前記トロイダルセクション（４２）が、トロイダル形状の略半分を含む、請求項３記載の流路。
5. 前記トロイダルセクション（４２）が、前記ロータ（１１２）に対して略水平の円周方向位置で前記直線セクション（４３）と係合し、
   前記トロイダルセクション（４２）を形成するトロイド（４１）の軸線がタービンのロータ（１１２）を含み、
   円錐ガイド（４５）の上流側端部が、フレキシブルジョイント（４４）により前記内側ケーシング（１１６）に結合され、
   前記円錐ガイド（４５）が、タービンの最終段から出る蒸気の半径方向外側境界を含み、
   前記円錐ガイド（４５）が、前記フレキシブルジョイント（４４）からの距離が大きくなるにつれて前記円錐ガイド（４５）の断面半径が増大するような拡大円錐形状を含む、請求項３記載の流路。
6. 前記円錐ガイド（４５）の下流側端部がフレアリップ部（４７）を含み、前記円錐ガイド（４５）が前記トロイダルセクション（４２）及び／又は前記直線セクション（４３）に延び、前記円錐ガイド（４５）が前記トロイダルセクション（４２）及び前記直線セクション（４３）の軸方向幅の略半分にわたって延びる、請求項３記載の流路。
7. 前記円錐ガイド（４５）を通って移動する蒸気の内側境界が、タービンの前記ロータ（１１２）の回りに配置された円筒形ロータプレート（４９）を含み、前記円筒形ロータプレート（４９）が、前記ロータ（１１２）を内包し、タービンの最終段から前記トロイダルディフューザ（４０）の下流側壁に軸方向に延びる滑らかな円筒形状を含む、請求項３記載の流路。
8. 前記ケーシング（１１６）及び前記トロイダルディフューザ（４０）が、支持構造上に互いに対して独立して装着される、請求項１記載の流路。
9. 前記ケーシング（１１６）及び前記トロイダルディフューザ（４０）をフレキシブル接続部（４４）が連結し、該フレキシブル接続部（４４）が、熱膨張の差を許容するように構成された膨張ベローズを含む、請求項１記載の流路。
10. 前記ロータ（１１２）用の軸受（５４）が、タービンの前記支持構造により直接支持される１以上の支柱上に支持される、請求項１記載の流路。

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