JP2010230005A - 蒸気タービン低圧用途用の有効長５２インチの蒸気タービン動翼 - Google Patents

Abstract

【課題】長尺で、剛性及び制振特性が向上し、振動応力の低い蒸気タービンエンジンの最終段に用いられる高強度の最終段バケットを提供する。
【解決手段】蒸気タービンエンジンの低圧セクションに使用されるバケット２０を提供する。バケット２０は、約５２インチ以上の翼長１１８を有する。バケット２０は、バケットの半径方向内側位置近傍に設けられるダブテール部１２１と、バケットの半径方向外側位置近傍に設けられる先端シュラウドと、半径方向中間位置に設けられる部分スパンシュラウド６１０とを含む。半径方向中間位置は、部分スパンシュラウド６１０の空力性能を向上させる位置に設定される。バケット２０は、クロム鋼で形成される。
【選択図】図２

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。具体的には、本発明は、約５２インチ以上の翼長を有する最終段タービンバケットとしての、特定の高強度動翼の用途に関する。

蒸気タービンの性能が、低い蒸気圧で作動する後段バケットの設計及び性能に大きく影響されることは広く認められている。理想的には、最終段バケットは、最終段を離れる蒸気流の運動エネルギーを最小限に抑制しつつ、タービン排気圧まで下がる蒸気の膨張を有効に利用すべきである。

蒸気タービンバケットの供用条件は複雑で厳しいものとなることがある。特に、最終段バケットは、高湿度及びボイラーからのキャリーオーバーに起因する腐食性環境を始めとして、様々な過酷な作動条件に恒常的に暴露される。このような条件は、バケット材料、特に翼長５２インチ以上の長尺の最終段タービンバケットで深刻な腐食及び孔食の問題を招きかねない。そのため、バケット効率及び寿命を僅かでも改善できれば蒸気タービンエンジンの全耐用年数を通して多大な経済的利益が得られるので、タービンの最終段バケットは、従前、過酷な作動条件下での効率を向上させるための研究開発の対象とされてきた。

最終段タービンバケットは広範な流れ、負荷及び強い動的力に付される。そのため、機械的強度及び耐久性の点から最終バケットのプロファイル設計に影響する主な因子としては、バケットの有効長、ピッチ径及び作動流れ領域での作動速度が挙げられる。予測最大作動条件での減衰、バケット疲労及び構造材料の耐食性も、最終バケットの設計及び製造方法に重要な役割を果たす。

大型の最終段タービンバケット（例えば翼長が約５２インチ以上のもの）の開発では、慣性負荷が従来のバケット材料の強度性能を超えてしまうことがよくあり、慣性負荷に起因する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て繰返し応力に付され、この周期的応力が腐食性環境と組み合わさると、長期の使用期間中にバケットに大きな損傷をもたらすことがある。さらに、最終段の蒸気は通常「湿って」おり、多量の飽和蒸気を含む。そのため、最終段では、バケット材料の水滴衝突エロージョンンを生じることが多い。かかるエロージョンは、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。

従前、様々な最終用途、特に長翼バケット、すなわち翼長約５２インチ以上のバケットを用いる機械設計の機械的要件をすべて満足するバケット材料を見出すのは困難であった。長尺バケットは必然的に高い強度が必要とされ、上述の通り、エロージョン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。長翼設計に固有の高い応力のため、高い作動温度で応力腐食割れが生じるおそれも高まる。バケット材料に要求される高い強度は、４００°Ｆ程度の作動温度で応力割れを起こし易くする傾向があるからである。孔食及び腐食疲労の影響も、翼長の長い最終段バケットに加わる応力が高いほど大きくなる。単に他のタービン段の基本機械設計要件を満たすように選択された合金は、最終段バケットの機械的強度及び耐エロージョン性に関する最小限の要件を満たさないことが多い。

ある用途、特に高速でタービンを作動させる用途では、チタンバケットの使用によって、所要の強度及び耐腐食性が得られることが判明している。しかし、チタンのコストが、慣用バケット材料のコストをはるかに超えることは周知であり、タービンバケットにチタンを多用するのは憚られる。また、チタン材料の供給は先行きが不確かであり、この点でも広範な用途にはさほど望ましいとはいえなくなる。

米国特許第７１９５４５５号明細書

そこで、当技術分野では、長尺で、剛性及び制振特性が向上し、振動応力の低い最終段バケットに対するニーズが存在する。

本発明の一態様では、蒸気タービンの低圧セクション用バケットを提供する。バケットは、約５２インチ以上の翼長で形成される。バケットは、バケットの半径方向内側位置近傍に設けられたダブテール部と、バケットの半径方向外側位置近傍に設けられた先端シュラウドと、半径方向中間位置に設けられた部分スパンシュラウドを備える。半径方向中間位置は、翼の負圧面及び正圧面の半径方向外側位置と半径方向内側位置の間に位置し、部分スパンシュラウドの空力性能を向上させるように配置される。バケットは、クロム系ステンレス合金からなる。

別の態様では、タービンホイールの周りに複数の最終段バケットを配設した低圧タービンセクションを有する蒸気タービンを提供する。最終段バケットは、約５２インチ以上の翼長を有する。１以上の最終段バケットは、バケットの半径方向内側位置近傍に設けられたダブテール部と、バケットの半径方向外側位置近傍に設けられた先端シュラウドと、半径方向中間位置に設けられた部分スパンシュラウドを備える。半径方向中間位置は、半径方向内側位置と半径方向外側位置の間に位置する。最終段バケットは、クロム系ステンレス合金からなる。

蒸気タービンの部分切欠斜視図。 本発明の一実施形態に係るバケットの斜視図。 本発明の一実施形態に係る湾曲軸方向挿入式ダブテール部の拡大斜視図。 図２のバケットで使用できる先端シュラウドの一実施形態を示す斜視図。 隣接する先端シュラウドとの相互関係を示す斜視図。 図２のバケットで使用できる部分スパンシュラウドを示す斜視図。 隣接する部分スパンシュラウドとの相互関係を示す斜視図。 従来技術の部分スパンシュラウドの接触面を示す斜視図。

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の部分切欠斜視図である。ＬＰタービン１６は、軸方向に離隔し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。具体的には、バケット２０は、各ロータホイール１８の周方向に延在する列として配置される。複数の静止ノズル２２が、シャフト１４の周りで周方向に延在し、軸方向には隣接するバケット２０列の間に配置される。ノズル２２は、バケット２０と協働してタービン段を形成し、タービン１０を通る蒸気流路の一部を画成する。

作動中、蒸気２４がタービン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を下流に向けてバケット２０に当てる。蒸気２４は残りの段を通過して、バケット２０に力を与えてロータ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から先に軸方向に延在し、特に限定されないが、発電機及び／又は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、実際にすべて同じシャフト１４と同軸に連結した複数のタービンを含んでいてもよい。このような装置は、例えば中圧タービンに連結された高圧タービンを含み、中圧タービンは低圧タービンに連結される。

図１では、一実施形態として、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段の中では最も小さい（半径方向）。Ｌ３は第２段であり、軸方向における次の段である。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、最も大きい（半径方向）。なお、５段は一例にすぎず、低圧タービンは５段より多くても少なくてもよい。

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を有する動翼部分１０２を含み、蒸気は概ね前縁１０６から後縁１０４に流れる。バケット２０は、第１の凹面側壁１０８と第２の凸面側壁１１０も含む。第１の側壁１０８と第２の側壁１１０は、軸方向に後縁１０４及び前縁１０６でつながっており、半径方向にロータ動翼根元部１１２とロータ動翼先端１１４の間に延在する。翼弦距離は、動翼１０２の半径方向長さ１１８に沿った任意の点で後縁１０４から前縁１０６まで測定した距離である。一実施形態では、半径方向長さ１１８つまり翼長は約５２インチである。他の実施形態では、半径方向長さ１１８は種々変更し得る。本明細書では、半径方向長さ１１８は約５２インチに等しいものとして記載するが、半径方向長さ１１８は特定の用途に応じて適宜適当な長さにすることができる。根元部１１２は、シャフト１４に沿ってロータディスクにバケット２０を植設するのに用いられるダブテール１２１を含む。

図３はダブテール１２１の拡大図である。一実施形態では、ダブテール１２１はロータディスクに画成された嵌合スロットに係合する湾曲軸方向挿入式ダブテールである。一実施形態では、ダブテール１２１は４つの凸状突出部（フック）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。平均及び局所応力の分布、速度超過状態で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、湾曲軸方向挿入式ダブテールが好ましい。バケットをホイールに植設したときにバケットの軸方向移動を防ぐため、軸方向保持機構３１０に分割ロックワイヤ（図示せず）を収容する。

図４に、一体型先端シュラウド４１０を有するバケット先端４の一実施形態の拡大図を示す。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させる。先端シュラウドの外側面上にシールリブ４２０を設けてもよい。リブ４２０はバケット２０の外側部分を超える蒸気の流れを制限するシール手段として機能する。リブ４２０は単一のリブであってもよいし、複数のリブ、複数の直線状の歯もしくは傾斜型の歯、又は寸法の異なる１以上の歯（例えば、ラビリンス型シール）からなるものであってもよい。

図５は先端シュラウド４１０の最初の組立て状態を示す図である。先端シュラウド４１０は最初の組立時及び／又は速度ゼロの状態で隣接先端シュラウド間に間隙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も、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。回転数が作動レベル（例えば、約１８００ｒｐｍ）に近づくと、バケットは遠心力によってねじれが解消し、間隙５１０が閉じ、リブ４２０同士が整列する。シュラウドがぴったりと噛み合うと、バケット剛性の向上、バケット減衰性の向上、バケット２０の半径方向外側位置でのシール性の向上が得られる。

図６及び図６Ａに、先端シュラウド４１０と根元部１１２の間に位置する部分スパンシュラウド６１０を示す。部分スパンシュラウド６１０はバケット２０の負圧側壁と正圧側壁に配置される。速度ゼロの状態では、隣り合うバケットの隣接する部分スパンシュラウド間に間隙が存在する。タービンホイールが回転し始め、作動速度に近づいて、バケットのねじれが解消すると、この間隙は閉じる。部分スパンシュラウドは、風損が低減し全体的効率が向上する空力的形状にされる。具合的には、部分スパンシュラウド６１０は、ウィング状の空力翼形部として形成できる。さらに、部分スパンシュラウドの呈するウィング状空力プロファイルは、動翼６３０の根元端６１５から先端６１６まで実質的に一定のプロファイル（翼厚）６４０を含む。部分スパンシュラウド６１０の先端６１６は、第１セグメント６５１、第２セグメント６５２及び第３セグメント６５３を含むセグメントに分けられる。なお、第２セグメントは、第１セグメントと第３セグメントの間に位置する。所定速度での作動中、隣り合うバケットの第２セクション６５２は、隣接バケットの部分スパンシュラウド間で一定の接触力を実質的に吸収する。ウィング状プロファイルは、図７に示すような隣接バケット７３０の部分スパンシュラウド間の接触点で拡大接触プロファイル７２０を有する従来技術の部分スパンシュラウド７１０よりも空力抵抗を低下させる。さらに、本発明のバケットの部分スパンシュラウドは、空力効率をさらに高めるため、翼の半径方向内側位置と半径方向外側位置の間の約４６％に位置する。

バケットのねじれが戻る際に部分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。バケットのねじれが解消すると、先端シュラウド４１０及び部分スパンシュラウド６１０は隣接シュラウドに接触する。複数のバケット２０が単一の連続して結合した構造体として挙動し、ばらばらの非結合設計に比べて優れた剛性及び減衰特性を示す。もう一つの利点は、ロータの振動応力が低減することである。

本発明のバケットは、以下の表１に示す例示的な組成（重量％）のクロムステンレス合金から形成できる。

上記の組成範囲のクロムステンレス合金を用いて、本発明に従って約５２インチの翼長を有する様々な蒸気タービンバケットを形成した。上述の通り、最終バケットプロファイル及び使用する合金は、バケットの有効長、ピッチ径及び有効な流れ領域におけるバケットの作動速度などの数多くの設計因子によって影響される。予測最大作動条件での制振、バケット疲労及び合金の耐食性も、上記の好ましい組成範囲に属するクロムステンレス合金を用いた最終バケットの設計に影響を与える。

形成後、本発明に係る各バケットを応力除去し、慣用の仕上げ及び熱処理工程を用いてバケット表面を最終プロファイルへと機械加工した。バケットは湿性蒸気環境中でのエロージョンから保護するため、前縁に沿って炎焼き入れする。翼長約５２インチ以上の様々なバケットを、最終段蒸気タービンの公称及び最大予測運転温度域内で慣用の機械強度試験及び耐食性試験に付した。本発明に係るバケットに用いたクロムステンレス合金材料は、向上した耐食性と平均を上回る強度特性を示した。

本発明に係るバケットは、好ましくは、蒸気タービンの低圧セクションの最終段で使用される。ただし、バケットは、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）にも使用できる。バケット２０の好ましい翼長は約５２インチであり、この半径方向長さは約１７２ｆｔ²（約１６．０ｍ²）の最終段排気環状面積を与えることができる。このように拡大され、改良された排気環状面積は、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。こうした損失の低減によりタービン効率が向上する。

本発明では、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部分スパンダンパーは優れた剛性及び減衰特性を与える。湾曲軸方向挿入式ダブテールも、ダブテール境界での平均及び局所応力の分布を改善する。ウィング状部分スパンシュラウドはバケットの空力性能を向上させる。

以上、本発明を様々な実施形態について説明してきたが、特許請求の範囲に記載された技術的思想及び技術的範囲内で様々な変更を加えて本発明を実施できることは当業者には明らかである。

Claims (10)

1. 約５２インチ以上の翼長（１１８）に形成された低圧蒸気タービン（１０）用バケット（２０）であって、当該バケット（２０）が、
   バケット（２０）の半径方向内側位置近傍に設けられた根元部（１１２）と、
   バケット（２０）の半径方向外側位置近傍に設けられた先端シュラウド（１１４）と、
   翼（１０２）の負圧面及び正圧面に、半径方向内側位置と半径方向外側位置の間の半径方向中間位置に設けられた部分スパンシュラウド（６１０）と
   を備えており、当該バケット（２０）がクロムステンレス合金からなる、バケット（２０）。
2. 根元部（１１２）が湾曲軸方向進入式ダブテール（１２１）からなる、請求項１記載のバケット（２０）。
3. 湾曲軸方向進入式ダブテール（１２１）が複数のフック（３０２）を含む、請求項１又は請求項２記載のバケット（２０）。
4. 湾曲軸方向進入式ダブテール（１２１）が、バケットの軸方向の移動を防ぐ分割ロックワイヤを収容する軸方向保持要素（３１０）を備える、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のバケット（２０）。
5. 最終段バケットをなす、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のバケット（２０）。
6. 部分スパンシュラウド（６１０）が、半径方向内側位置と半径方向外側位置の間の翼長の約４６％の位置に空力性能のため配置されている、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のバケット（２０）。
7. 部分スパンシュラウド（６１０）がウィング状空力翼形部を含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のバケット（２０）。
8. 部分スパンシュラウド（６１０）のウィング状空力翼形部は、根元端（６１５）から先端（６１６）への蒸気流に対して実質的に一定であるプロファイル（６４０）を有する、請求項７記載のバケット（２０）。
9. ロータホイール（１８）の周りに配置された複数の最終段バケット（２０）を備える低圧タービンセクションを含む蒸気タービン（１０）であって、複数の最終段バケット（２０）が約５２インチ以上の翼長（１１８）を有しており、１以上の最終段バケットが、
   １以上の最終段バケット（２０）の半径方向内側位置近傍に設けられるダブテール部（１２１）と、
   １以上の最終段バケット（２０）の半径方向外側位置近傍に設けられる先端シュラウド（４１０）と、
   半径方向内側位置と半径方向外側位置の間に存在する半径方向中間位置に設けられる部分スパンシュラウド（６１０）と
   を備えており、半径方向中間位置が、部分スパンシュラウドの空力性能を向上させる位置にあり、複数の各最終段バケット（２０）がクロムステンレス合金からなる、蒸気タービン（１０）。
10. 複数の最終段バケット（２０）の部分スパンシュラウド（６１０）が、隣接する最終段バケットの部分スパンシュラウドとの間に間隙をもつように構成されており、タービンホイールが所定の速度以上で回転して最終段バケットのねじれがタービンホイールの回転によって解消したときに上記間隙が閉じられ、部分スパンシュラウド（６１０）が、半径方向内側位置と半径方向外側位置の間の翼長（１１８）の約４６％の位置に空力性能のため配置される、請求項９記載の蒸気タービン（１０）。

Images