JP2011012674A

JP2011012674A - 蒸気タービン用の水分除去装置

Info

Publication number: JP2011012674A
Application number: JP2010141146A
Authority: JP
Inventors: Tao Guo; タオ・グオ; Xiaoyue Liu; シャオユー・リュー; Jonathon Edward Slepski; ジョナソン・エドワード・スレプスキ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2011-01-20
Also published as: RU2010126330A; EP2282013A2; EP2282013A3; US20100329853A1

Abstract

【課題】本明細書では、蒸気タービン用の水分除去システムを開示する。
【解決手段】本水分除去システム（１００）は、蒸気タービンの段を囲む外側ケーシング内に配置された少なくとも１つの穿孔リング（１１０）を含む。リング（１１０）は、水分が該リングを貫通して蒸気タービンの蒸気通路から流出できるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、総括的には蒸気タービンに関し、より具体的には、戦略的に配置した蒸気タービン用の水分除去装置に関する。

蒸気タービンの内部で蒸気が膨張すると、その温度及び圧力は、低下する。タービン蒸気通路内の特定の位置において、蒸気は飽和線を横切って膨張する可能性があり、凝縮（復水）が開始し、かつ水が形成される可能性がある。従って、蒸気タービンの最終の極幾つかの段内において、特に最終段バケット（ＬＳＢ）の直前において、蒸気は、「ウェット（湿り状態）」、つまり蒸気及び水滴の混合物となる可能性がある。これらの水滴は、タービン性能に悪影響を与え、かつ特にブレード速度が高い長尺回転ブレードの先端領域付近において該回転ブレードの侵食を引起す可能性がある。

蒸気タービン最終段バケット（ＬＳＢ）の信頼性を向上させかつ侵食を回避するためには、一般に特有の設計機構を実施して、外側ケーシング及び／又はノズル表面上の凝縮／集積水が回転ブレード及び／又はブレードカバー上に衝突するのを防止する。１つの一般的な解決方法は、「超過（overshooting）」ノズルを備えた連続外側壁を使用することであり、そうすることで、外側ケーシング上の水を回転ブレードカバー及びケーシング間のギャップを通して移動させて、蒸気通路内に再び同伴されないようにすることができる。この設計の解決方法における問題点は、「超過」ノズルから流出する流れが、ＬＳＢカバー上に直接衝突することである。ＬＳＢ入口流れマッハ数は一般に非常に高い（音速に近づく或いは長尺ＬＳＢの場合には超音速にさえなる可能性がある）ので、ＬＳＢカバーの遮蔽作用は、タービン最終段性能に対して大幅な性能低下を引起す可能性がある。

別の解決方法は、外側壁上の水を確実に排除するようにするために、ＬＳＢの直ぐ前方に水分除去スロットを付加することである。しかしながら、スロットは、外側壁の連続性を途絶させかつ主流れに対して乱流を引起し、それが次に、タービン性能に対して悪影響を与えることになる可能性がある。水分除去装置を含むその他の解決方法は、ノズル入口において外側ケーシング上に集積した水を除去するためのグルーブを使用すること、或いはノズル表面上への付着水を除去するためのスロット付き中空ノズルを使用することを含む。

タービン内部の水滴は広い寸法範囲を有しまた水滴の軌道は水滴寸法に強く依存しているので、上記の水分除去方法のいずれも、タービン蒸気通路から水分を除去する上で満足な仕事を行なうものではない。

米国特許第７４２２４１５号明細書

本明細書では、蒸気タービン用の水分除去システムを開示する。本水分除去システムは、蒸気タービンの段を囲む外側ケーシング内に配置された少なくとも１つの穿孔リングを含む。リングは、水分が該リングを通して蒸気タービンの蒸気通路から流出できるように構成される。

本発明の第１の態様は、蒸気タービン用の水分除去システムを提供し、本システムは、蒸気タービンの段を囲む外側ケーシング内に配置するリングを含み、リングは、該リングの内径から外径まで延在する１以上の孔を含み、孔は、水分が該孔を通して蒸気タービンの蒸気通路から流出できるように構成される。

本発明の第２の態様は、蒸気タービン用の水分除去システムを提供し、蒸気タービンは、最終段バケットと、最終１つ前の段バケットと、最終段バケット及び最終１つ前の段バケット間に配置されたノズルとを有し、それらノズル及びバケットは、外側ケーシング内に配置されており、本水分除去システムは、外側ケーシングを貫通して延在しかつ最終１つ前の段バケットの回転ブレードの後縁と整列するように配置された少なくとも１つの水分除去スロットと、水分除去スロットの下流かつノズルの上流において外側ケーシング内に配置されると共にその内径から外径まで延在しかつ水分がそれを通して蒸気タービンの蒸気通路から流出できるように構成された１以上の孔を備えた第１のリングと、ノズル内の第１の端部から外側ケーシングを貫通して第２の端部まで延在するチャネルと、ノズルの正圧側面上に配置され、チャネルの第１の端部と流体連通しておりかつノズルの表面からの水分がそれを通して該チャネルの第１の端部内に流入できるように構成された正圧側面スロットと、ノズルの負圧側面上に配置され、チャネルの第１の端部と流体連通しておりかつノズルの表面からの水分がそれを通して該チャネルの第１の端部内に流入できるように構成された負圧側面スロットと、ノズルの下流かつ最終段バケットの上流において外側ケーシング内に配置されると共にその内径から外径まで延在しかつ水分がそれを通して蒸気タービンの蒸気通路から流出できるように構成された１以上の孔を備えた第２のリングと、最終段バケット上の入込みバケットカバー又は該最終段バケット上の超過バケットカバーの１つとを含む。

本開示の実施形態による水分除去システムを備えた蒸気タービンの最終段及び最終１つ前の段のバケットの断面図。本開示の実施形態による水分除去システムを備えた蒸気タービンのノズルの拡大図。蒸気タービンの最終段バケットの断面図。

図１に移ると、本発明の実施形態による蒸気タービン用の水分除去システム１００を示す。図１には蒸気タービン全体を示していないが、図１には、蒸気タービンの例示的な段及び最終１つ前の段バケットを示す。図１に示すように、ノズル１０４が、最終１つ前の段バケット１０２及び最終段バケット１０６間に配置される。最終１つ前の段バケット１０２、ノズル１０４及び最終段バケット１０６は、外側ケーシング１０１内に配置される。当技術分野では公知のように、蒸気は、蒸気タービン、つまりいわゆる蒸気通路を通って下流方向に最終段バケット１０６に向けて移動する。蒸気タービンを通って蒸気が移動すると、凝縮（復水）が開始し、水分（例えば、水、蒸気、或いは水及び蒸気の混合物）が形成される可能性がある。本明細書で説明するように、水分除去システム１００は、特に最終段バケット１０６の直前に或いは該最終段バケット１０６に接近すると可能な限り多量の水分を蒸気通路から除去する装置を構成するような体系的解決策を提供する。

水分除去システム１００は、蒸気タービンのノズル及びバケット間において外側ケーシング１０１内に配置された少なくとも１つの第１のリング１１０を含む。例えば、図１に示す実施形態では、第１のリング１１０は、最終１つ前の段バケット１０２の下流かつノズル１０４の上流に配置される。第１のリング１１０は、穿孔されており又は多孔である、つまり第１のリング１１０は、該第１のリング１１０の内径から外径まで延在する１以上の孔を含む。これらの孔は、水分が第１のリング１１０を貫通して蒸気タービンの蒸気通路から流出できるように構成される。

水分除去システム１００はさらに、これもまた蒸気タービンのノズル及びバケット間において外側ケーシング１０１内に配置された少なくとも１つの第２のリング１１４を含むことができる。例えば、図１に示す実施形態におけるように、第２のリング１１４は、ノズル１０４の下流かつ最終段バケット１０６の上流に配置することができる。第２のリング１１４はまた、穿孔されており又は多孔である、つまり第２のリング１１４は、該第２のリング１１４の内径から外径まで延在する１以上の孔を含む。これらの孔は、水分が第２のリング１１４を貫通して蒸気タービンの蒸気通路から流出できるように構成される。従って、第２のリング１１４は、先行の装置では除去されなかったあらゆる残りの水分並びに外側ケーシング１０１上に形成された新たな凝縮水を除去するように配置することができる。例えば、図１に示す実施形態におけるように、第２のリング１１４は、最終段バケット１０６の直ぐ上流に配置することができる。

外側ケーシング１０１を貫通するスロット又はグルーブと比較して、穿孔リング１１０、１１４は、蒸気通路流れを崩壊させるのがより少なく、従って比較的大きい軸方向セグメントを覆うように設計することができ、このことは、水分除去に有利である。加えて、外側ケーシング１０１を貫通するスロット又はグルーブと比較して、穿孔リング１１０、１１４は、前段の回転ブレードの後縁から飛び出しかつ該外側ケーシング１０１上に衝突するそれら水分の液滴を反射するのがより少なくなる（従って、より良好な水分の除去に役立つ）。

水分除去システム１００はさらに、外側ケーシング１０１を貫通して延在する少なくとも１つの水分除去スロット１０８を含むことができる。水分除去スロット１０８は、水分を除去するのが望ましい外側ケーシング１０１内のあらゆる位置に設けることができ、例えば図１に示す実施形態におけるように、水分除去スロット１０８は、第１のリング１１０の上流にかつ最終１つ前の段バケット１０２の回転ブレードの後縁と整列するように配置することができる。従って、水分除去スロット１０８は、蒸気タービンの前段の回転ブレード、例えば最終１つ前の段バケット１０２から投げ出された大きな水分の液滴を除去するように配置することができる。

水分除去システム１００はさらに、ノズル１０４内の第１の端部１１５から外側ケーシング１０１を貫通して第２の端部１１７まで延在するチャネル１１３を含むことができる。チャネル１１３は、ノズル１０４の正圧側面及び負圧側面の両方上におけるスロット１１２と流体連通している。図２により詳細に示すように、少なくとも１つの負圧側面スロット１１２ａが、ノズル１０４の負圧側面上に設けられ、また少なくとも１つの正圧側面スロット１１２ｂが、ノズル１０４の正圧側面上に設けられる。スロット１１２ａ及び１１２ｂの両方は、チャネル１１３の第１の端部１１５と流体連通しており、ノズル１０４の表面からの水分がスロット１１２ａ、１１２ｂを通してチャネル１１３の第１の端部１１５内に流れまた最終的には第２の端部１１７を通りかつ外側ケーシング１０１を貫通して流入できるように構成される。従って、スロット１１２ａ、１１２ｂを使用して、多かれ少なかれ主蒸気通路流れと共に流れるがその後ノズル１０４の表面に付着するそれら水分液滴（水滴）を捕捉する。図１及び図２に示すように、スロット１１２ａ、１１２ｂは、ノズル１０４に沿ってほぼ長手方向に延在することができる。チャネル１１３の第２の端部１１７は、排出圧力源１４０に連結して、該チャネル１１３を通して蒸気通路から水滴を引出すようにすることができる。

所定の位置における水分除去システム１００と共に、入込み又は超過バケットカバー設計を実施することができる。例えば図１に示すように、最終段バケット１０６上のバケットカバー１１６は、外側ケーシング１０１内に入込み配置することができる。入込み最終段バケット設計では、ノズル１０４から流出する流れは、最終段バケットカバー１１６上に直接衝突しないことになり、最終段バケットカバー１１６の遮蔽作用が大幅に減少し、従ってタービン最終段性能を向上させることになる。それに代えて、図３に示すように、バケットカバー１１６は、超過状態に、つまり外側ケーシング１０１内に位置していない状態に配置することができる。本技術分野では公知のように、任意選択的にバケットカバー１１６は、該バケットカバー１１６から外側ケーシング１０１に向けて延在する歯１１８を備えており、バケットカバー１１６の先端からの蒸気漏洩を減少させて、タービン性能を向上させることができる。

本明細書に開示した水分除去システム１００は、例えば原子力低圧蒸気タービン又は複合サイクル低圧蒸気タービンのような蒸気を除去するのが望ましいあらゆるタービンで利用することができる。

本明細書における「第１」、「第２」などの用語は順序、数量又は重要性を意味するものではなく、ある構成要素を他の構成要素から区別するために用いられる。単数形で記載したものであっても、数を限定するものではなく、そのものが少なくとも１つ存在することを意味する。数量に用いられる「約」という修飾語は、記載の数値を含み、文脈毎に決まる意味をもつ（例えば、特定の数量の測定に付随する誤差範囲を含む）。本明細書に開示した範囲はすべてその上下限を含み、独立に結合可能である（例えば、「約２５重量％以下、具体的には約５〜約２０重量％」という範囲は、「約５〜２５重量％」の上下限とその範囲内のすべての中間値を含む）。

本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、その要素を様々に変化させることができ、均等物で置換することができることは当業者には明らかであろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。

１００水分除去システム
１０１外側ケーシング
１０２最終１つ前の段バケット
１０４ノズル
１０６最終段バケット
１０８水分除去スロット
１１０第１の穿孔リング
１１２ノズル内のスロット
１１２ａノズルの負圧側面内のスロット
１１２ｂノズルの正圧側面内のスロット
１１３チャネル
１１４第２の穿孔リング
１１５チャネルの第１の端部
１１６入込みバケットカバー
１１７チャネルの第２の端部
１１８バケットカバー上の歯

Claims

蒸気タービン用の水分除去システム（１００）であって、
前記蒸気タービンの段を囲む外側ケーシング（１０１）内に配置するリングを含み、
前記リングが、該リングの内径から外径まで延在する１以上の孔を含み、
前記孔が、水分が該孔を通して前記蒸気タービンの蒸気通路から流出できるように構成される、
水分除去システム。
前記リングが、前記段のバケット及びノズル（１０４）間に配置される、請求項１記載の水分除去システム。
前記外側ケーシング（１０１）を貫通して延在する少なくとも１つ水分除去スロット（１０８）をさらに含み、
前記スロットが、水分が該スロットを通して前記蒸気タービンの蒸気通路から流出できるように構成される、
請求項２記載の水分除去システム。
１つの前記水分除去スロット（１０８）が、前段バケットの回転ブレードの後縁と整列するように配置される、請求項３記載の水分除去システム。
前記ノズル（１０４）内の第１の端部から前記外側ケーシング（１０１）を貫通して第２の端部まで延在するチャネル（１１３）と、
前記ノズル（１０４）の正圧側面上に配置されかつ前記チャネル（１１３）の第１の端部と流体連通した正圧側面スロットと、
前記ノズル（１０４）の負圧側面上に配置されかつ前記チャネル（１１３）の第１の端部と流体連通した負圧側面スロットと、を含み、
前記正圧側面スロット及び負圧側面スロットが、前記ノズル（１０４）の表面からの水分が該スロットを通して前記チャネル（１１３）の第１の端部内に流入できるように構成される、
請求項２記載の水分除去システム。
前記リングが、複数のリング、つまり最終１つ前の段バケット（１０２）の下流かつノズル（１０４）の上流に配置された少なくとも１つの第１のリングと、最終段バケット（１０６）の上流かつ前記ノズル（１０４）の下流に配置された少なくとも１つの第２のリングとを含み、
前記複数のリングが各々、該リングの内径から外径まで延在する１以上の孔を含み、
前記孔が、水分が該孔を通して前記蒸気タービンの蒸気通路から流出できるように構成される、
請求項１記載の水分除去システム。
前記ノズル（１０４）内の第１の端部から前記外側ケーシング（１０１）を貫通して第２の端部まで延在するチャネル（１１３）と、
前記ノズル（１０４）の正圧側面上に配置されかつ前記チャネル（１１３）の第１の端部と流体連通した正圧側面スロットと、
前記ノズル（１０４）の負圧側面上に配置されかつ前記チャネル（１１３）の第１の端部と流体連通した負圧側面スロットと、を含み、
前記正圧側面スロット及び負圧側面スロットが、前記ノズル（１０４）の表面からの水分が該スロットを通して前記チャネル（１１３）の第１の端部内に流入できるように構成される、
請求項６記載の水分除去システム。
前記外側ケーシング（１０１）を貫通して延在する少なくとも１つ水分除去スロット（１０８）をさらに含み、
前記スロットが、水分が該スロットを通して前記蒸気タービンの蒸気通路から流出できるように構成される、
請求項６記載の水分除去システム。
１つの前記水分除去スロット（１０８）が、前記最終１つ前の段バケット（１０２）の回転ブレードの後縁と整列するように配置される、請求項８記載の水分除去システム。
前記最終段バケット（１０６）上の入込みバケットカバー（１１６）又は該最終段バケット（１０６）上の超過バケットカバー（１１６）の１つをさらに含む、請求項６記載の水分除去システム。