JP2010534792A

JP2010534792A - 蒸気タービンステージ

Info

Publication number: JP2010534792A
Application number: JP2010518817A
Authority: JP
Inventors: マッチオ，マウロ; チェッキ，ステファノ; マラバシ，フランチェスコ
Original assignee: アンサルドエネルギアソチエタペルアツィオニ
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2010-11-11
Also published as: EP2176521A1; WO2009016657A1; EP2176521B1; KR20100054804A; US20100254809A1; US8602729B2

Abstract

蒸気タービン(１)のステージであって、長手方向軸(Ａ)に沿って延びるローター(２)を備え、長手方向軸(Ａ)と平行な方向（Ｄ）に蒸気を供給する流路(４)に沿って連続して配置された固定ステージ(８)と可動ステージ(９)とを備え、固定ステージ(８)が、長手方向軸(Ａ)と同軸の内側リング(２０)と、内側リング(２０)周りに半径方向に配置された多数の静翼（２２）を備え、各静翼（２２）が、内側リング(２０)の環状頂部（２７）に固定され、内側リング(２０)が、流路(４)に面し長手方向軸(Ａ)に対して直交する上面（３０）を有し、可動ステージ(９)が、ローター(２)の周りに半径方向に配置され、ローター(２)に固定された、多数の動翼（１５）を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、蒸気タービンステージに関する。特に、本発明は、蒸気タービンの最終ステージに関する。

公知のタイプのタービンには、長手方向軸に沿って延びるローターを備えるものがあり、多数のステージを備え、各ステージは、固定ステージと、可動ステージと、を備える。固定ステージは、固定された内側リングと、固定された外側リングと、内側リングと外側リングとの間に半径方向に配置され、一方の端部で内側リングに固定され、他方の端部で外側リングに固定された、多数のいわゆる静翼と、を備える。可動ステージは、ローターの周りに半径方向に配置され、ローターに、いわゆる翼根で固定される、多数のいわゆる動翼を備える。

近年の市場は、高効率と低コストを得るため、ますます大きな蒸気タービンを要求するようになっている。特に、近年の傾向は、タービンの排気セクション、すなわちタービンの最終セクション、のサイズを増加させる方向にあり、上述のタイプのタービンの最終ステージは、翼軸に沿って顕著にねじれた、非常に長い静翼と非常に長い動翼とを備える結果となっている。このねじれは、特に各翼の先端から翼付根部まで、高圧荷重と蒸気流速の変化に耐えられるようにするものである。

動翼の顕著なねじれは、しかし、製造が容易でなく、動翼に沿った仕事損失を最小にするために、設計者側に相当の努力を要求する。

更に、動翼の先端から翼付根部までの、蒸気流速、特にその接線成分、の大きな変化は、動翼の前縁に落ちる結露によるゆっくりした浸食によって、動翼の表面を、深刻な損傷に導く。

本発明の目的は、公知の技術の前述の欠点を除くように設計した、蒸気タービンステージを提供することである。特に、本発明の目的は、動翼における流速の接線成分の変化を低減する蒸気タービンステージを提供し、同時に、安価で製造が容易な蒸気タービンステージを提供することである。

本発明により、請求項１に記載された蒸気タービンステージが提供される。

本発明の実施形態は、添付図面を参照して、以下に例示として記述される。

図１は、部品を断面で示した、本発明による蒸気タービンステージの概略図であり、明確化のために部品を省略している。図２は、部品を断面で示した蒸気タービンの概略図であり、明確化のために部品を省略している。図３は、図２のステージの詳細の側面図であり、部品を断面で示し、明確化のために部品を省略している。図４は、図２のステージの詳細の分解斜視図であり、部品を断面で示し、明確化のために部品を省略している。

図１の中の符号１は、長手方向軸Ａに沿って延びる蒸気タービンを示し、蒸気タービンは、軸Ａ周りに回転するローター２と、長手方向軸Ａと平行な方向Ｄの蒸気流の流路４と、流路４に沿って連続して配置された、多数のステージ５と、を備える。特に、添付の図面に示される実施形態の蒸気タービン１は、低圧の蒸気タービンであるが、これに限定するものではない。

図２の中の符号６は、蒸気タービン１の最終ステージを示すが、タービン１の多数のステージ５のうちのいずれか１つであってもよい。

ステージ６は、方向Ｄで示す流路４に沿って連続して配置された、固定ステージ８と、可動ステージ９と、を備える。

可動ステージ９は、ローター２の周りに半径方向に配置された、多数の動翼１５を備える。

各動翼１５は、ローター２に固定された翼付根部１６と、翼付根部１６の反対側の自由端部１７と、を備える。特に、ローター２は、流路４に面し、動翼１５が固定されている環状ローター面１８を備える。

実際に使用する場合には、動翼１５は、軸Ａの周りに回転するローター２によって駆動される。

固定ステージ８は、内側リング２０と外側リング２１とを備え、両者は長手方向軸Ａと同軸であり、更に、内側リング２０と外側リング２１との間に半径方向に配置された、多数の静翼２２を備える。

特に図３を参照すると、内側リング２０は、静翼２２が固定される環状頂部２７と、環状部分２８と、を備えている。

環状頂部２７は、蒸気流路４に面している上面３０を備え、環状部分２８は、同様に流路４に面している表面３１を備える。特に、上面３０は、静翼２２内で生じる結露を処理する孔３３を備え、蒸気流れ方向Ｄに沿って減少する半径Ｒ_A（長手方向軸Ａからの距離を意味する）を有する。特に、上面３０の最小半径Ｒ_Mは、環状ローター面１８の一定の半径Ｒ_Rに等しく、上面３０は、一種の「ふくらみ」を形成するために、凸状であることが好ましい。

表面３１は、半径Ｒ_Eが蒸気流れ方向Ｄに徐々に増加する端部領域３４と、端部領域３４と上面３０との間に配置され、半径Ｒｃが蒸気流れ方向Ｄで一定である中央領域３５と、を備える。

内側リング２０と外側リング２１とは、中空であることが好ましく、それぞれ２つの半割れリング（図示せず）を備え、２つの半割れリングは、ローター２を挿入するために分割することができ、適切に形成された金属板を結合することによって形成され、強固な箱形に形成されて、空気力学的な荷重に効果的に耐えることができる。

特に、上面３０は、貫通孔３３を有する、適切に加工された単一の金属の壁によって形成される。

図４を参照すれば、各静翼２２は、環状頂部２７に固定された第１の端部すなわちハブ３７と、第１の端部３７の反対側にあって外側リング２１（図２）に固定された第２の端部すなわち先端３８と、前縁４０と、前縁４０と後縁４１との間に延びている吸込み側すなわち上側４２と、圧力側すなわち下側４３と、を備える。

各静翼２２は、２つの適切に形成された金属板を、前縁４０と後縁４１の近くの端部で溶接することによって形成された、中空体である。

各静翼２２のハブ３７は、上面３０と相補的な形状を有する。ハブ３７と上面３０の形状は、各静翼２２のハブ３７への空気力学的な荷重を低減し、各静翼２２のマッハ数、すなわち同じ点で測られる音速に対する局所的な蒸気速度の比率、を低減する。

各静翼２２の後縁４１の第１の突出し部は、長手方向軸Ａと静翼２２とを通る平面内で、カーブしている。特に、第１の突出し部は、流れ方向Ｄに対して反対方向に凹状をしている。

第１の突出し部は、「スイープ（sweep）」として知られており、スイープの湾曲の程度は、寸法に依存し、主として、内側リング２０とローター２との間の幾何学的な干渉と、静翼２２と動翼１５との間の距離の最小化と、先端３８の外側リング２１に対する直角度の確保と、に依存する。

ここに示した例では、スイープは、６次関数のカーブである。

スイープは、静翼２２の容量を増加させ、従って、静翼２２が形成するステージ６の容量を増加させる。ここで、容量とは、ステージ６の上流と下流の条件に基づいて排出することができる蒸気の量を意味する。

スイープもまた、各静翼２２のマッハ数を変え、マッハ数は、ハブ３７では低減され、先端３８では増加される。静翼２２への荷重は、参照ケースに関しては、マッハ数が低減される箇所では小さく、マッハ数が増加される箇所では大きくなる。

空気力学的な荷重分布の変化は、静翼２２の、方向Ｄに関する蒸気流出角度の変化に基づいて決定することができる。問題のケースでは、流出角度は、ハブ３７で低減され、先端３８で増加され、したがって、上述のように、静翼２２への荷重は、ハブ３７よりも先端３８で大きい。上述の静翼２２の空気力学的な設計は、各動翼１５の翼付根部１６での流入角度をも低減し、これに対して自由端部１７の流れ角度は、ほとんど不変のままである。設計段階では、動翼１５の流入角度の変更は、翼付根部１６から自由端部１７までの「ねじれ」、すなわち動翼１５が動翼軸に関してねじれる程度、の減少と言い換えることができる。

各静翼２２の後縁４１の第２の突出し部は、長手方向軸Ａに対して垂直な平面内で、カーブしている。特に、後縁４１の第２の突出し部は、ローター２の回転方向に関して凹状をしている。

第２の突出し部は、「リーン（lean）」として知られており、湾曲の程度は、静翼２２の長さの過度の増大と、先端３８に集中した不均一な荷重分布と、を避けるために制限される。

ここに示した例では、リーンは、３次関数のカーブである。

リーンは、各静翼２２のハブ３７でのマッハ数を減少させ、先端３８でのマッハ数を少し増加させることによって、スイープよりも局所的な効果を有する。

図３を参照すれば、各静翼２２はまた、後縁４１と先端３８の近くの両方の圧力側４３の等圧線に沿って形成された、多数のスロット４５を有する。特に、スロット４５の数は概略７であり、静翼２２の約４０％の高さに沿って先端３８から延び、蒸気が最終ステージ６を通って流れるときに、静翼２２の表面上に形成される結露のしずくを集める。実際の使用においては、スロット４５を通る結露のしずくは、内側リング２０の貫通孔３３を通してパイプ（図示せず）に沿って送られ、凝縮機（図示せず）に送られる。

本発明は、以下の利点を有する。

特に、上述のステージ６は、ステージ６自身の空気力学的な損失を低減する。

各静翼２２のハブ３７での荷重を低減することは、各動翼１５の翼付根部１６での荷重を増加させることに、直接つながる。これは、このステージのハブ３７と翼付根部１６での反動度の増加をもたらす。ここで、「反動度」とは、ステージ６での全エンタルピー増加に対する、動翼１５での全エンタルピー増加の比を意味する。反動度の効果は、個々の翼に対する局所的な効果を伴い、ステージ６の効率（このステージの入口と出口の間の等エントロピー変化を仮定した全エンタルピー増加に対する、このステージの全エンタルピー増加の比）の増大をもたらす。

各動翼１５の翼付根部１６での荷重の増加は、動翼１５のねじれの減少を可能にし、従って、設計と製造とが、より容易となる。

本明細書に記載した蒸気タービンステージに対して、請求項の範囲から逸脱することなく変更を加えることができることは、明らかである。

Claims

蒸気タービン(１)のステージであって、
長手方向軸(Ａ)に沿って延びるローター(２)と、
長手方向軸(Ａ)に平行な方向（Ｄ）に蒸気を供給する流路(４)に沿って配置された、固定ステージ(８)と可動ステージ(９)とを備える、ステージ（５、６）と、
を備え、
前記固定ステージ（８）が、長手方向軸(Ａ)と同軸の内側リング(２０)と、前記内側リング(２０)に対して半径方向に配置された多数の静翼（２２）と、を備え、各静翼（２２）が、内側リング(２０)の環状頂部（２７）に固定されており、内側リング(２０)の環状頂部（２７）が、流路(４)に面している上面（３０）を有し、
前記可動ステージ(９)が、前記ローター(２)の周りに半径方向に配置され、前記ローター(２)の一方の端部（６)に固定された、多数の動翼（１５）を備え、
前記ステージ（５、６）において、前記環状頂部（２７）の上面（３０）が長手方向軸(Ａ)に対して直交している、
蒸気タービン(１)のステージ。
前記ローター(２)が、流路(４)に面している環状ローター面(１８)を有し、前記上面（３０）が、前記環状ローター面(１８)に収斂する、請求項１に記載のステージ。
前記上面（３０）の半径（Ｒ_A）が、流れ方向（Ｄ）に徐々に減少する、請求項１又は２に記載のステージ。
前記上面（３０）の最小半径（Ｒ_M）が、前記環状ローター面(１８)の半径（Ｒ_R）に等しく、前記環状ローター面(１８)の半径（Ｒ_R）が、流れ方向（Ｄ）に一定である、請求項２又は請求項２に従属する請求項３に記載のステージ。
前記上面（３０）が、凸状である、請求項１から４のいずれか１項に記載のステージ。
前記内側リング(２０)が、中空である、請求項１から５のいずれか１項に記載のステージ。
前記内側リング(２０)が、前記上面（３０）を形成する金属壁を備える、請求項１から６のいずれか１項に記載のステージ。
前記内側リング(２０)が、互いに接続している２つの半割れリングである、請求項１から７のいずれか１項に記載のステージ。
前記内側リング(２０)が、前記環状頂部（２７）に隣接し、流れ方向（Ｄ）において前記環状頂部（２７）よりも上流の環状部分（２８）を備え、前記環状部分（２８）が、流路(４)に面する表面（３１）を有し、前記環状部分の前記表面（３１）が、端部領域（３４）を備え、前記端部領域（３４）の半径（Ｒ_E）が、流れ方向（Ｄ）に徐々に増加する、請求項１から８のいずれか１項に記載のステージ。
前記環状部分の前記表面（３１）が、前記端部領域（３４）と前記上面（３０）との間に配置された中央領域（３５）を備え、前記中央領域（３５）の半径（Ｒｃ）が、流れ方向（Ｄ）に一定である、請求項９に記載のステージ。
各静翼（２２）が、内側リング(２０)の環状頂部（２７）に接続可能な第１の端部すなわちハブ（３７）を備え、前記静翼（２２）が、前記上面（３０）に対して相補的な形状を有する、請求項１から１０のいずれか１項に記載のステージ。
各静翼（２２）が、前記長手方向軸(Ａ)と同軸の固定ステージ(８)の外側リング（２１）に接続された第２の端部すなわち先端（３８）を備え、各静翼（２２）が、前縁(４０)と、前縁(４０)の反対側であって流れ方向（Ｄ）に対して前縁（４０）の下流側にある後縁（４１）と、吸込み側（４２）と、圧力側（４３）と、を備え、吸込み側（４２）と圧力側（４３）とが、前縁(４０)と後縁（４１）との間に延びている、請求項１から１１のいずれか１項に記載のステージ。
各静翼（２２）の後縁（４１）の第１の突出し部が、前記長手方向軸(Ａ)と前記静翼（２２）とを通る平面内でカーブしている、請求項１２に記載のステージ。
前記後縁（４１）の第１の突出し部が、流れ方向（Ｄ）に対して反対方向に凹状である、請求項１３に記載のステージ。
各静翼（２２）の後縁（４１）の第２の突出し部が、前記長手方向軸(Ａ)に対して垂直な平面内でカーブしている、請求項１２から１４のいずれか１項に記載のステージ。
前記後縁（４１）の第２の突出し部が、ローター(２)の回転方向に関して凹状である、請求項１５に記載のステージ。
前記第１の突出し部が、６次関数のカーブである、請求項１３から１６のいずれか１項に記載のステージ。
前記第２の突出し部が、３次関数のカーブである、請求項１５から１７のいずれか１項に記載のステージ。
前記ステージ（５、６）が、蒸気タービン(１)の最終ステージ(６)である、請求項１から１８のいずれか１項に記載のステージ。
請求項１から１９のいずれか１項に記載のステージ（５、６）を備える、低圧蒸気タービン。