JP2010174885A

JP2010174885A - 塵埃分離用のアパーチャを有するロータチャンバカバー部材及びそれに関連するタービン

Info

Publication number: JP2010174885A
Application number: JP2010010562A
Authority: JP
Inventors: Luke John Ammann; ルーク・ジョン・アンマン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2030-01-21
Also published as: CN101818664A; EP2213836A3; CN101818664B; US8262356B2; JP5356267B2; US20100196167A1; EP2213836A2

Abstract

【課題】タービン内に回転ブレードを支持するロータ（１２）ホイールに隣接してロータ（１２）チャンバを形成したカバー部材（１００）を提供する。
【解決手段】本カバー部材（１００）は、ロータ（１２）チャンバ内に冷却ガスストリーム（１１０）を導入するようになった第１のアパーチャ（１３０）と、該カバー部材（１００）の半径方向外側部分（１４０）内に配置されて、冷却ガスストリーム（１１０）の一部分がロータ（１２）チャンバから流出するのを可能にするようになった第２のアパーチャ（１４２）とを含む。ロータ（１２）チャンバから流出する冷却ガスストリーム（１１０）の一部分は、塵埃粒子を担持して、該ロータ（１２）チャンバをパージする。
【選択図】図３

Description

本発明は、総括的にはタービン技術に関する。より具体的には、本発明は、タービン内にロータチャンバを形成したカバー部材に関する。

タービンでは、回転シャフトに結合された回転ブレードに対してガス又は蒸気を衝突させて、該回転シャフトを回転させるようにする。回転ブレード内の孔を通して冷却ガスストリームを導いて、該回転ブレードの過熱を防止する。理想的には、孔は、冷却効率を高めるために、可能な限り小さくされる。それらのより小さい孔は、粒子によってより閉塞されやすい。

米国特許第６，８６８，３６３号公報

本開示の第１の態様は、装置を提供し、本装置は、タービン内に回転ブレードを支持するロータホイールに隣接してロータチャンバを形成したカバー部材を含み、カバー部材は、ロータチャンバ内に冷却ガスストリームを導入するようになった第１のアパーチャと、該カバー部材の半径方向外側部分内に配置されて、冷却ガスストリームの一部分がロータチャンバから流出するのを可能にするようになった第２のアパーチャとを含む。

本開示の第２の態様は、タービンを提供し、本タービンは、その各々がロータホイールによって回転シャフトに結合された複数の回転ブレードと、各ロータホイールに隣接してロータチャンバを形成したカバー部材とを含み、カバー部材は、ロータチャンバ内に冷却ガスストリームを導入するようになった第１のアパーチャと、該カバー部材の半径方向外側部分内に配置されて、冷却ガスストリームの一部分がロータチャンバから流出するのを可能にするようになった第２のアパーチャとを含む。

本開示の第３の態様は、方法を提供し、本方法は、タービン内に回転ブレードを支持するロータホイールに隣接してカバー部材よって形成されたロータチャンバに冷却ガスストリームを導入するステップと、冷却ガスストリームの一部分がカバー部材の半径方向外側部分のアパーチャを通ってロータチャンバから流出するのを可能にするステップと、回転ブレードを冷却するように冷却ガスストリームの残りの部分を導くステップとを含む。

ガス又は蒸気タービンの一部切欠き斜視図。本発明の１つの実施形態によるカバー部材を含むタービンの段の断面図。図1のカバー部材の分解断面図。図1のカバー部材の半径方向外側部分の分解断面図。

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している。蒸気タービン１０は、回転シャフト１４及び複数の軸方向に間隔を置いて配置されたロータホイール１８を備えたロータ１２を含む。複数の回転ブレード２０が、各ロータホイール１８に対して機械的に結合される。より具体的には、ブレード２０は、各ロータホイール１８の円周方向周りに延びる列の形態で配置される。複数の固定ベーン２２が、シャフト１４の円周方向周りに延びかつ隣接するブレード２０列の軸方向間に配置される。固定ベーン２２は、ブレード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形成する。

作動中に、ガス又は蒸気２４は、タービン１０の入口２６に流入しかつ固定ベーン２２を通して送られる。ベーン２２は、下流方向にブレード２０に対してガス又は蒸気２４を導く。ガス又は蒸気２４は、残りの段を通って流れ、ブレード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１つの端部は、回転シャフト１２から離れるように軸方向に延びることができかつそれに限定されないが、発電機及び／又は別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。

１つの実施形態では、タービン１０は、５つの段を含む。５つの段は、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４と呼ぶ。段Ｌ４は、第１段でありかつ５つの段のうちで最小のもの（半径方向において）である。段Ｌ３は、第２段でありかつ軸方向における次の段である。段Ｌ２は、第３段でありかつ５つの段のうちの中央に位置したものとして示している。段Ｌ１は、第４段でありかつ最後から２番目の段である。段Ｌ０は、最終段でありかつ最大のもの（半径方向において）である。５つの段は、専ら１つの実施例として示しており、また各タービンは、５つよりも多い又は少ない段を有することができることを理解されたい。また、本明細書で説明しようとしているように、本発明の教示は、複数段タービンを必要とするものではない。

図２は、タービン１０の１つの段の断面図を示している。上述したように、各段は、ロータホイール１８を介して回転シャフト１４に結合された複数の回転ブレード（その１つを示す）を含む。通路４０を通って流れるガス又は蒸気は、回転ブレード２０に衝突して、回転シャフトを作動させる。つまり、回転シャフト１４は、回転ブレード２０に結合されかつ該回転ブレード２０を支持したロータホイール１８を含む。カバー部材１００は、回転シャフト１４と共に回転しかつタービン１０内に回転ブレード２０を支持するロータホイール１８に隣接してロータチャンバ１０２（又は、ホイールスペース）を形成する。従って、ロータチャンバ１０２は、ロータホイール１８とカバー部材１００との間に形成される。カバー部材１００は、該カバー部材１００の半径方向外側部分（図３〜図４において参照符号１４０）においてロータホイール１８及び／又は回転ブレード２０に対してシールされる。

冷却ガスストリーム１１０は、それに対してカバー部材１００が組合される段のノズル又はケーシングの一部とすることができる支持リング１２２内の別の通路１２０を通して導かれる。カバー部材１００の外側端肢は、例えばラビリンスシールのようなシール１２８によって支持リング１２２に対してシールすることができる。冷却ガスストリーム１１０は、例えば圧縮機（図示せず）により発生させることができかつ例えば空気又はその他のガスを含むことができ、また塵埃を含む可能性がある。

図３を参照すると、冷却ガスストリーム１１０は、カバー部材１００内の（又は、カバー部材１００を支持したロータアーム１３２内の）アパーチャ１３０を通って流れて、カバー部材１００とロータホイール１８との間のロータチャンバ１０２内に導入される。アパーチャ１３０は、冷却ガスストリーム１１０がロータチャンバ１０２に流入する時に、螺旋通路を有することによって該冷却ガスストリーム１１０を強制的に回転させることができる。一般的に、冷却ガスストリーム１１０の全ては、カバー部材１００の通路に沿って進み、回転ブレード２０の基部１２４内の孔１２２に流入する。冷却ガスストリーム１１０は、回転ブレード２０を冷却し、かつ該回転ブレードの過熱を防止する。孔１２２は、それに回転ブレード２０が結合されたロータホイール１８の周りで円周方向に（紙面内への及び紙面外への方向に）配置される。当技術分野では解っているように、冷却ガスストリーム１１０は、該冷却ガスストリーム１１０が孔１２２に流入すると、回転ブレード２０内の通路（図示せず）を通して該回転ブレード２０の端部に向かって半径方向外向きに導かれる。理想的には、上述したように、孔１２２は、冷却効率を高めるために可能な限り小さくされる。冷却ガスストリーム１１０はまた、該冷却ガスストリーム１１０がロータチャンバ１０２内で回転すると、半径方向外向きに導かれ、それにより、該冷却ガスストリーム内の塵埃粒子は、回転シャフト１４のロータホイール１８に作用する遠心力によって集められ、孔１２２に流入することはない。

図４は、カバー部材１００の半径方向外側部分１４０の分解断面図を示している。半径方向外側部分１４０は、カバープレートと呼ぶこともある。図４に最も良く示すように、上記の塵埃状況に対処するために、本発明の１つの実施形態によると、複数のアパーチャ１４２が、カバー部材１００の半径方向外側部分１４０内に配置される。１つのアパーチャ１４２のみを図示しているが、カバー部材１００の半径方向外側部分１４０に沿って、より多くのアパーチャ１４２が設けられることが、容易に理解される。アパーチャ１４２は、冷却ガスストリーム１１０の一部分１４４が、ロータチャンバ１０２から流出し、その結果としてロータチャンバをパージするのを可能にする。冷却ガスストリーム１１０の一部分１４４（空気及び塵埃粒子を含む可能性がある）は、ロータチャンバをパージして、該ロータチャンバ内に高温ガスが吸込まれるのを防止するために使用される。具体的には、アパーチャ１４２は、塵埃粒子が冷却ガスストリーム１１０の一部分１４４によって担持され（運ばれ）かつロータチャンバからパージされるのを可能にするが、該冷却ガスストリーム１１０の大部分をその通常通路に沿って、つまり孔１２２内に導くような寸法にされる。このようにして、冷却ガスストリーム１１０は、通常通りに回転ブレード２０を冷却し、一方、一部分１４４の空気及び塵埃粒子は、ロータチャンバからパージされる。一部分１４４はまた、ガス又は蒸気通路４０（図２）から逸出する可能性がある高温ガス又は蒸気２４（図１〜図２）がロータチャンバ１０２に流入するのを防止する。ロータチャンバ１０２から流出しない冷却ガスストリーム１１０の残りの部分１４８は、孔１２２に流入して、上記の回転ブレード２０の冷却を行なう。

図４に示す別の実施形態では、アパーチャ１４２は、塵埃トラップ１５０内に設けかつ該塵埃トラップ１５０を貫通することができる。塵埃トラップ１５０は、カバー部材１００の半径方向外側部分１４０内に凹面１５２を含むことができる。つまり、凹面１５２は、カバー部材１００のそこ以外は連続した内表面内に存在することになる。カップ形状凹面として示しているが、凹面１５２は、アパーチャ１４２を通して導くのに先立ってその中に塵埃粒子を集めることができる、例えば方形くり抜き（ｓｑｕａｒｅｄｏｆｆ）溝、部分半円（ｌｅｓｓｓｅｍｉ−ｃｉｒｃｕｌａｒ）形状などのようなあらゆる形態を取ることができる。

カバー部材１００はロータホイール１８及び回転ブレード２０とは別個の構造体として示したが、塵埃分離のためのアパーチャ１４２を備えたカバー部材１００又は該カバー部材１００の一部分は、回転ブレード２０、ロータホイール及び／又は別の構造体の一部分として形成することができる。例えば、カバー部材１００の半径方向外側部分１４０は、アーム１３２によって支持された別個のセクション１００の一部としてではなくてロータホイール１８の一体形部分として形成することができる。カバー部材１００及び／又は支持リング１２２の残りの構造体との間でロータホイール１８をシールするために、必要に応じてシールが設けられることになる。従って、「カバー部材」という用語には、本発明の技術的範囲内では、ロータホイール１８に隣接してロータチャンバ１０２を形成したあらゆる形状部として広い解釈を与えるべきである。

本明細書における「第１の」、「第２の」などの用語は、何らの順序、数量又は重要度を表すものではなく、むしろ１つの要素を別の要素から区別するために使用しており、また本明細書における数詞を付していない表現は、数量の限定を表すものではなく、むしろ記載した事項の少なくとも１つが存在することを表している。数量と関連して使用する「約」と言う修飾語は、記述した数値を包含しかつ文脈によって決まる意図的意味を有する（例えば、特定の数量の測定に関連する誤差の程度を含む）。本明細書で使用する場合における「１つ又は複数の」という前置表現は、この表現が前置する用語のものの単数及び複数の両方を含み、従ってその用語のものの１つ又はそれ以上を含む（例えば、１つ又は複数の金属という表現は、１つ又はそれ以上の金属を含む）。本明細書に開示した範囲は、包括的なものでありかつ独立して組合せ可能である（例えば、「最大約２５重量％、又はより具体的には約５重量％〜約２０重量％」の範囲は、端点及び「約５重量％〜約２０重量％」などの範囲の全ての中間値を包含する）。

本明細書では、様々な実施形態について説明しているが、当業者にはそれら実施形態において様々な要素の組合せ、変更又は改良を行なうことができ、かつそれらの組合せ、変更又は改良もまた本発明の技術的範囲内にあることは、本明細書から分かるであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は要素を本発明の教示に適合させるように多くの修正を加えることができる。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いこと、また本発明は、特許請求の範囲の技術的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。

１０蒸気タービン
１２ロータ
１４回転シャフト
１８間隔を置いて配置されたロータホイール
２０回転ブレード
２２固定ベーン
２４蒸気
２６入口
４０通路
１００カバー部材
１０２ロータチャンバ
１１０冷却ガスストリーム
１２０通路
１２２支持リング
１２８シール
１３０アパーチャ
１３２ロータアーム
１２４基部
１４０外側部分
１４４一部分
１１２ガス又は蒸気通路
１５０塵埃トラップ
１５２凹面

Claims

装置であって、
タービン内に回転ブレードを支持するロータ（１２）ホイールに隣接してロータ（１２）チャンバを形成したカバー部材（１００）、
を含み、前記カバー部材（１００）が、
前記ロータ（１２）チャンバ内に冷却ガスストリーム（１１０）を導入するようになった第１のアパーチャ（１３０）と、
該カバー部材（１００）の半径方向外側部分（１４０）内に配置されて、前記冷却ガスストリーム（１１０）の一部分が前記ロータ（１２）チャンバから流出するのを可能にするようになった第２のアパーチャ（１４２）と、を含む、
装置。
前記ロータ（１２）チャンバから流出する前記冷却ガスストリーム（１１０）の一部分が、その中に塵埃粒子を担持する、請求項１記載の装置。
前記ロータ（１２）チャンバから前記タービンのケーングの支持リング（１２２）までの間で前記カバー部材（１００）の外側端肢をシールするシール（１２８）をさらに含む、請求項１記載の装置。
前記カバー部材（１００）の半径方向外側部分（１４０）内に塵埃トラップ（１５０）をさらに含む、請求項１記載の装置。
前記塵埃トラップ（１５０）が、凹面（１５２）を含む、請求項４記載の装置。
前記第２のアパーチャ（１４２）が、前記塵埃トラップ（１５０）を貫通する、請求項４記載の装置。
タービンであって、
その各々がロータ（１２）ホイールによって回転シャフト（１４）に結合された複数の回転ブレード（２０）と、
各前記ロータ（１２）ホイールに隣接してロータ（１２）チャンバを形成したカバー部材（１００）と、
を含み、前記カバー部材（１００）が、
前記ロータ（１２）チャンバ内に冷却ガスストリーム（１１０）を導入するようになった第１のアパーチャ（１３０）と、
該カバー部材（１００）の半径方向外側部分（１４０）内に配置されて、前記冷却ガスストリーム（１１０）の一部分が前記ロータ（１２）チャンバから流出するのを可能にするようになった第２のアパーチャ（１４２）と、を含む、
タービン。
前記ロータ（１２）チャンバから流出する前記冷却ガスストリーム（１１０）の一部分が、その中に塵埃粒子を担持する、請求項７記載のタービン。
前記ロータ（１２）チャンバから該タービンのケーングの支持リング（１２２）までの間で前記カバー部材（１００）の外側端肢をシールするシール（１２８）をさらに含む、請求項７記載のタービン。
前記カバー部材（１００）の半径方向外側部分（１４０）内に塵埃トラップ（１５０）をさらに含む、請求項７記載のタービン。
前記塵埃トラップ（１５０）が、凹面（１５２）を含む、請求項１０記載のタービン。
前記第２のアパーチャ（１４２）が、前記塵埃トラップ（１５０）を貫通する、請求項１０記載のタービン。
タービン内に回転ブレードを支持するロータ（１２）ホイールに隣接してカバー部材（１００）よって形成されたロータ（１２）チャンバに冷却ガスストリーム（１１０）を導入するステップと、
前記冷却ガスストリーム（１１０）の一部分が前記カバー部材（１００）の半径方向外側部分（１４０）内のアパーチャ（１４２）を通って前記ロータ（１２）チャンバから流出するのを可能にするステップと、
前記回転ブレードを冷却するように前記冷却ガスストリーム（１１０）の残りの部分を導くステップと、
を含む方法。
前記ロータ（１２）チャンバから流出する前記冷却ガスストリーム（１１０）の一部分が、その中に塵埃粒子を担持する、請求項１３記載の方法。
前記ロータ（１２）チャンバから前記タービンのケーングの支持リング（１２２）までの間で前記カバー部材（１００）の外側端肢をシールするステップをさらに含む、請求項１３記載の方法。