JP2011094614A - ターボ機械効率等化システム - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械効率等化器システムを提供すること。
【解決手段】タービン（１０）の段の根元（Ｒ）及び／又は先端領域（Ｔ）を通って漏出する蒸気を再配向して、効率が最も高いタービン（１０）のピッチ領域（Ｐ）で高効率の主蒸気流と混合させる１つ又はそれ以上のチャンネル（１１０、１１６）を含む、ターボ機械用システムが提供される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、全体的にターボ機械に関する。より詳細には、本発明は、ターボ機械効率等化器システムに関する。

ターボ機械の流路効率は、流体力学及び流体流損失に関連するパラメータを含む、複数の損失パラメータ及びこれらの相互作用の結果である。現在のところ、翼輪郭の改善、壁損失すなわちギャップ損失の低減、並びに半径方向及び円周方向効率変動の最小化によって、これらの損失を認識し低減する取り組みがなされている。しかしながら、これらの提案された改善は、蒸気経路効率を十分には改善していない。

上述の本来的な流路損失は、ターボ機械段の根元及び先端にて最も高く、これは、作動流体がこれらの区域を通じて漏出する傾向があるためである。従って、最大効率は、段の中間部に存在し、最も低い効率は、段の根元及び先端に近接して存在する。

米国特許第６３５４７９８号明細書

タービンの段の根元及び／又は先端領域を通って漏出する蒸気を再配向して、効率が最も高いタービンのピッチ領域で高効率の主蒸気流と混合させる１つ又はそれ以上のチャンネルを含む、ターボ機械用システムが提供される。この蒸気の再配向は、より高い平均効率を生じさせる効率プロファイルを一様にし、タービンの有意な性能改善をもたらすことになる。

本発明の第１の態様は、ターボ機械用システムを提供し、該システムは、外側ケーシング及び内側ケーシング間に位置付けられ、根元領域と、先端領域と、該先端領域及び根元領域間にあるピッチ領域とを各々が有する動翼及び静翼と、動翼からのターボ機械の作動流体の先端流出を取り込むように位置付けられた静翼の先端領域に近接する第１の端部と、先端流出を先端領域付近からピッチ領域に半径方向内向きに再配向するための、静翼のピッチ領域に近接する第２の端部とを有する第１のチャンネルと、動翼からのターボ機械の作動流体の根元漏出を取り込むように位置付けられた静翼の根元領域に近接する第１の端部と、根元漏出を根元領域付近からピッチ領域に半径方向外向きに再配向するための、静翼のピッチ領域に近接する第２の端部とを有する第２のチャンネルと、を備える。

本発明の第２の態様は、ターボ機械における静翼及び翼支持部を提供し、該静翼が、根元領域と、先端領域と、該先端領域及び根元領域間にあるピッチ領域とを有し、翼支持部が、先端支持部１２２及び根元支持部１２４を有し、且つ静翼を軸方向で支持し、静翼及び翼支持部が、動翼からのターボ機械の作動流体の先端流出を取り込むように位置付けられた先端領域に近接する第１の端部と、先端流出を先端領域付近からピッチ領域に半径方向内向きに再配向するための、ピッチ領域に近接する第２の端部とを有する第１のチャンネルと、動翼からのターボ機械の作動流体の根元漏出を取り込むように位置付けられた根元領域に近接する第１の端部と、根元漏出を根元領域付近からピッチ領域に半径方向外向きに再配向するため、ピッチ領域に近接する第２の端部とを有する第２のチャンネルと、を含む。

本発明の第３の態様は、ターボ機械用システムを提供し、該システムは、外側ケーシング及び内側ケーシング間に位置付けられ、根元領域と、先端領域と、該先端領域及び根元領域間にあるピッチ領域とを各々が有する動翼及び静翼と、第１のチャンネル及び第２のチャンネルの少なくとも１つと、を備え、第１のチャンネルが、動翼からのターボ機械の作動流体の先端流出を取り込むように位置付けられた静翼の先端領域に近接する第１の端部と、先端流出を先端領域付近からピッチ領域に半径方向内向きに再配向するための、静翼のピッチ領域に近接する第２の端部とを有し、第２のチャンネルが、動翼からのターボ機械の作動流体の根元漏出を取り込むように位置付けられた静翼の根元領域に近接する第１の端部と、根元漏出を根元領域付近からピッチ領域に半径方向外向きに再配向するための、静翼のピッチ領域に近接する第２の端部とを有する。

蒸気タービンの部分切り欠き斜視図。 本発明の１つの実施形態による蒸気タービンの例示的な段の断面図。 本発明の別の実施形態による蒸気タービンの例示的な段の断面図。 本発明の実施形態による蒸気タービンの３次元部分切り欠き図。

蒸気タービンエンジンに関連したその用途及び作動に関して、本発明の少なくとも１つの実施形態について以下に説明する。しかしながら、本発明は、タービン及び／又はエンジンなどのあらゆる好適なターボ機械にも適用可能であることは、当該技術分野に精通し且つ本明細書で教示により導かれる当業者には明らかなはずである。本発明の実施形態は、効率を改善するためのターボ機械用システムを提供する。

図面を参照すると、図１は、蒸気タービン１０の部分切り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を含むロータ１２と、複数の軸方向に離間したロータホイール１８とを含む。複数の動翼２０（ブレード２０とも呼ばれる）は、各ロータホイール１８に機械的に結合される。より具体的には、動翼２０は、各ロータホイール１８の周りに円周方向に延びる列状に配置される。複数の静翼２２は、シャフト１４の周りを円周方向に延び、静翼２２は、動翼２０の隣接する列間に軸方向に位置付けられる。静翼２２は、動翼２０と協働し、１つの段を形成し、更にタービン１０を通る蒸気流路の一部を定める。

作動時には、蒸気などの作動流体２４がタービン２６の入口２６に流入し、静翼２２を通じて送られる。静翼２２は、動翼２０に対して下流側に作動流体２４を配向する。作動流体２４は、残りの段を通過し、動翼２０に力を作用して、シャフト１４を回転させるようにする。タービン１０の少なくとも１つの端部は、ロータ１２から離れて軸方向に延びることができ、限定ではないが、発電機及び／又は別のタービンなどの負荷又は機械（機械）に取り付けることができる。

図１に示すように、タービン１０は、少なくとも１つの段（図１には、５つの段が図示されている）を含む。５つの段は、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、及びＬ４と呼ばれる。段Ｌ４は、第１の段で、５つの段の最小段（半径方向で）であり、段Ｌ３は、第２の段で、軸方向で次の段であり、段Ｌ２は、第３の段で、５つの段の中間に示され、段Ｌ１は、第４の段で、最後から２番目の段であり、段Ｌ０は、最終段で、最大の段（半径方向で）である。作動流体が種々の段を通って移動すると、圧力が低下し、すなわち、作動流体は、段Ｌ０よりも段Ｌ４で高圧力である。５つの段は、単に１つの例示として示されており、各タービンは５つの段よりも多い又は少ない段を有することができる点は理解されたい。

本発明の実施形態による蒸気タービン１０用のシステムを含む例示的な段が図２に示されている。図２は、外側ケーシング１０６及び内側ケーシング１０８間に両方が位置付けられる動翼１０２、及び静翼１０４を含む。外側ケーシング１０６は先端支持部１２２を含み、内側ケーシング１０８は根元支持部１２４を含む。支持部１２２、１２４は、全体として、静翼１０４を軸方向で支持する。基準ラインＲ、Ｔ、及びＰにより示されるように、動翼１０２及び静翼１０４は各々、根元領域Ｒ、先端領域Ｔ、及び先端領域Ｔと根元領域Ｒとの間にあるピッチ領域又は中間半径方向領域Ｐを有する。典型的な蒸気タービンでは、蒸気は、運転中に先端領域Ｔ及び根元領域Ｒを通じて漏出する可能性がある。

先端領域Ｔを通じて漏出した高エネルギー蒸気を再配向するために、少なくとも１つの第１のチャンネル１１０が設けられる。第１のチャンネル１１０は、作動流体が先端領域Ｔ付近からピッチ領域Ｐ付近に動翼１０２に向けて移動できるようになるあらゆる構成を含むことができる。例えば、図２に示す１つの実施形態において、第１のチャンネル１１０は、第１の端部１１２、中間部分１１３、及び第２の端部１１４を含むことができる。図２に示すように、第１の端部１１２は、軸方向に延びて、先端領域Ｔに近接して開いた第１の端部１１２ａと、中間部分１１３と連通する１つの端部１１２ｂとを有することができる。中間部分１１３は、半径方向に延びて、第１の端部１１２と連通する１つの端部１１３ａと、第２の端部１１４と連通する１つの端部１１３ｂとを有することができる。第２の端部１１４は、軸方向に延びて、中間部分１１３と連通する１つの端部１１４ａと、ピッチ領域Ｐに近接して開いた１つの端部１１４ｂとを有することができる。蒸気の所望の再配向を達成するために、湾曲チャンネル、直線チャンネル、直線と湾曲の組み合わせ、その他など、あらゆる代替の形状又は構成の第１のチャンネル１１０を実施可能である点は理解される。

第１のチャンネル１１０はまた、要求に応じてタービン１０段内に配向することができる。例えば、図２に示す１つの実施形態において、第１のチャンネル１１０の一部は、外側ケーシング１０６内に配置することができ、具体的には、第１の端部１１２、及び中間部分１１３の一部は、外側ケーシング１０６の支持先端部１１２内に配置される。図３に示す別の実施形態では、第１の端部１１２、中間部分１１３、及び第２の端部１１４を含む、第１のチャンネル１１０は全体として、静翼１０４内に配置することができる。また、第１のチャンネル１１０の代替の位置も実施可能であり、例えば、第１のチャンネル１１０は静翼１０４の完全に外部にあることができ、或いは、第１の端部１１２及び第２の端部１１４の少なくとも一部は、蒸気の所望の再配向を達成するために、外側ケーシング１０６内ではなく、静翼１０４の外部に存在することができる点は理解される。

第１のチャンネル１１０の形状又は構成とは関係なく、第１のチャンネル１１０は、ターボ機械の作動流体の先端漏出（例えば、蒸気タービンの静翼１０４の先端領域Ｔを通過する高エネルギー蒸気漏出）が、先端領域Ｔ付近から第１のチャンネル１１０を通って移動し、ピッチ領域Ｐ付近から出て動翼１０２に向かって移動できるようになる。従って、ターボ機械の作動流体の先端漏出は、先端領域Ｔ付近の高圧区域から半径方向内向きに第１のチャンネル１１０を通り、ピッチ領域Ｐ付近の低圧区域に再配向される。

作動流体の先端漏出をできる限り再配向するために、複数の第１のチャンネル１１０を含めることができ、例えば、図４に示すように、４つの第１のチャンネル１１０をタービンの中心軸線の周りに互いから約９０°に位置付けることができる。４つのチャンネル１１０が図４に示されているが、本発明の実施形態に従って、タービンの中心軸線の周りに要求に応じて位置付けられるあらゆる数のチャンネル１１０を含めることができることは理解される。

根元領域Ｒを通じて漏出された高エネルギー蒸気を再配向するために、少なくとも１つの第２のチャンネル１１６が設けられる。第２のチャンネル１１６は、作動流体が根元領域Ｒ付近からピッチ領域Ｐ付近まで動翼１０２に向かって移動できるようになるあらゆる構成を含むことができる。例えば、図２に示す１つの実施形態において、第２のチャンネル１１６は、第１の端部１１８、中間部分１１９、及び第２の端部１２０を含むことができる。図２に示すように、第１の端部１１８は、軸方向に延びて、根元領域Ｒに近接して開いた１つの端部１１８ａと、中間部分１１９と連通した１つの端部１１８ｂとを有することができる。中間部分１１９は、半径方向に延びて、第１の端部１１８と連通した１つの端部１１９ａと、第２の端部１２０と連通した１つの端部１１９ｂとを有することができる。第２の端部１２０は、軸方向に延びて、中間部分１１９と連通した１つの端部１２０ａと、ピッチ領域Ｐに近接して開いた１つの端部１２０ｂとを有することができる。蒸気の所望の再配向を達成するために、湾曲チャンネル、直線チャンネル、直線と湾曲の組み合わせ、その他など、あらゆる代替の形状又は構成の第２のチャンネル１１６を実施可能である点は理解される。

第２のチャンネル１１６はまた、要求に応じてタービン１０の段内に向けることができる。例えば、図２に示す１つの実施形態において、第２のチャンネル１１６の一部は、内側ケーシング１０８、具体的には第１の端部１１８内に配置することができ、中間部分１１９の一部は、内側ケーシング１０８の根元支持部１２４内に配置することができる。図３に示す別の実施形態では、第１の端部１１８、中間部分１１９、及び第２の端部１２０を含む第２のチャンネル１１６は全体として、静翼１０４内に配置することができる。また、第２のチャンネル１１６の代替の位置も実施可能であり、例えば、第２のチャンネル１１６は静翼１０４の完全に外部にあることができ、或いは、第１の端部１１８及び第２の端部１２０の少なくとも一部は、蒸気の所望の再配向を達成するために、内側ケーシング１０８内ではなく、静翼１０４の外部に存在することができる点は理解される。

第２のチャンネル１１６の形状又は構成とは関係なく、第２のチャンネル１１６は、ターボ機械の作動流体の根元漏出（例えば、蒸気タービンの静翼１０４の根元領域Ｒを通過する高エネルギー蒸気漏出）が、根元領域Ｒ付近から第２のチャンネル１１６を通って移動し、ピッチ領域Ｐ付近から出て動翼１０２に向かって移動できるようになる。従って、ターボ機械の作動流体の根元漏出は、根元領域Ｒ付近の高圧区域から半径方向内向きに第２のチャンネル１１６を通り、ピッチ領域Ｐ付近の低圧区域に再配向される。

作動流体の根元漏出をできる限り再配向するために、複数の第２のチャンネル１１６を含めることができ、例えば、図４に示すように、４つの第２のチャンネル１１６をタービンの中心軸線の周りに互いから約９０°に位置付けることができる。４つのチャンネル１１６が図４に示されているが、本発明の実施形態に従って、タービンの中心軸線の周りに要求に応じて位置付けられるあらゆる数のチャンネル１１６を含めることができることは理解される。

上記で検討したように、従来の蒸気タービンにおいて、先端領域Ｔ及び根元領域Ｒを通る漏出は、これらの領域付近の効率を低下させることになるが、ピッチ領域Ｐは高効率を維持している。本発明の実施形態によれば、チャンネル１１０、１１６は各々、高エネルギー蒸気流（すなわち、作動流体の漏出流）を配向し、高エネルギー蒸気は、効率が最も高いピッチ領域Ｐで高効率の主蒸気流と混合するようにする。チャンネル１１０、１１６は共に、静翼１０４付近のピッチ領域Ｐで終端するので、この高エネルギー蒸気は、動翼１０２がエネルギーのほとんどを取り込んで、段効率を高めることができるように最適に再配向される。これは、より高い平均効率を生じさせる効率プロファイルを一様にし、タービンの有意な性能改善をもたらすことになる。

蒸気タービンの単一段に関して本発明の実施形態を検討してきたが、チャンネル１１０、１１６は、複数の段にも設けることができる点は理解される。また、何れかの段は、第１及び第２のチャンネル１１０、１１６の両方、或いは第１のチャンネル１１０だけ又は第２のチャンネル１１６だけを含むことができる点は理解される。また、本発明の実施形態は、蒸気タービンに関連して検討してきたが、本発明の実施形態はまた、あらゆる好適なターボ機械でも利用できる点は理解される。

本明細書における用語「第１の」、「第２の」などは、どのような順序、数量、又は重要度を意味するものではなく、むしろ、１つの要素を別の要素と区別するために用いており、本明細書において数詞のない表現は、数量の限定を意味するものではなく、むしろ参照する要素の少なくとも１つが存在することを意味する。数量に関して使用する「約」という修飾語は、記載の数値を包含しており、前後関係によって決まる意味を有する（例えば、特定の数量の測定値に付随するある程度の誤差を含む）。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）ことを意図している。本明細書に開示した範囲は、包括的でありかつ独立して組み合わせ可能である（例えば、「最大約２５重量％までの又はより具体的には約５重量％〜約２０重量％」の範囲というのは、「約５重量％〜約２５重量％」の範囲の端点及び全ての中間値などを含む）。

本発明の種々の実施形態について説明してきたが、要素の種々の組み合わせ、変型形態、又は改善形態を実施することができ、更にこれらが本発明の範囲内にあることは、本明細書から理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図さ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く、また本発明は、提出した請求項の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することになるものとする。

１０ 蒸気タービン
１２ ロータ
１４ 回転シャフト
１８ ロータホイール
２０ 動翼
２２ 静翼
２４ 作動流体
２６ 入口
１０２ 動翼
１０４ 静翼
１０６ 外側ケーシング
１０８ 内側ケーシング
１１０ 第１のチャンネル
１１２，１１２ａ，１１２ｂ１１２ｃ 第１のチャンネルの第１の端部
１１８，１１８ａ，１１８ｂ，１１８ｃ 第２のチャンネルの第１の端部
１１３，１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ 第１のチャンネルの中間部分
１１９，１１９ａ，１１９ｂ，１１９ｃ 第２のチャンネルの中間部分
１１３，１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ 第１のチャンネルの第２の端部
１２０，１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ 第２のチャンネルの第２の端部
１２２ 先端支持部
１２４ 根元支持部
Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ ５つの段
Ｌ４ 第１の段
Ｌ０ 最終段
Ｌ３ 第２の段
Ｌ２ 第３の段
Ｌ１ 第４の段
Ｒ 根元領域
Ｔ 先端領域
Ｐ ピッチ領域、中間、中間半径方向領域

Claims (10)

1. ターボ機械用システムであって、
   外側ケーシング（１０６）及び内側ケーシング（１０８）間に位置付けられ、根元領域（Ｒ）と、先端領域（Ｔ）と、該先端領域（Ｔ）及び根元領域（Ｒ）間にあるピッチ領域（Ｐ）とを各々が有する動翼（１０２）及び静翼（１０４）と、
   前記動翼（１０２）からの前記ターボ機械の作動流体の先端流出を取り込むように位置付けられた前記静翼（１０４）の先端領域（Ｔ）に近接する第１の端部（１１２）と、前記先端流出を前記先端領域（Ｔ）付近から前記ピッチ領域（Ｐ）に半径方向内向きに再配向するための、前記静翼（１０４）のピッチ領域（Ｐ）に近接する第２の端部（１１４）とを有する第１のチャンネル（１１０）と、
   前記動翼（１０２）からの前記ターボ機械の作動流体の根元漏出を取り込むように位置付けられた前記静翼（１０４）の根元領域（Ｒ）に近接する第１の端部（１１８）と、前記根元漏出を前記根元領域（Ｒ）付近から前記ピッチ領域（Ｐ）に半径方向外向きに再配向するための、前記静翼（１０４）のピッチ領域（Ｐ）に近接する第２の端部（１２０）とを有する第２のチャンネル（１１６）と
   を備えるシステム。
2. 前記第１のチャンネル（１１０）が、前記ターボ機械の中心軸線の周りに互いから約９０°に位置付けられた４つのチャンネルを含み、前記第２のチャンネル（１１６）が、前記ターボ機械の中心軸線の周りに互いから約９０°に位置付けられた４つのチャンネルを含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１のチャンネル（１１０）の第１の端部（１１２）が前記外側ケーシング（１０６）内に配置され、前記第１のチャンネル（１１０）の第２の端部（１１４）が前記静翼（１０４）内に配置される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記第２のチャンネル（１１６）の第１の端部（１１８）が前記内側ケーシング（１０８）内に配置され、前記第２のチャンネル（１１６）の第２の端部（１２０）が前記静翼（１０４）内に配置される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記第１のチャンネル（１１０）及び前記第２のチャンネル（１１６）の少なくとも１つが前記静翼（１０４）内に配置される、請求項１に記載のシステム。
6. ターボ機械における静翼（１０４）及び翼支持部であって、該静翼（１０４）が、根元領域（Ｒ）と、先端領域（Ｔ）と、該先端領域（Ｔ）及び根元領域（Ｒ）間にあるピッチ領域（Ｐ）とを有し、前記翼支持部が、先端支持部（１２２）及び根元支持部（１２４）を有し、且つ前記静翼（１０４）を軸方向で支持し、
   前記静翼（１０４）及び翼支持部が、
   前記動翼（１０２）からの前記ターボ機械の作動流体の先端流出を取り込むように位置付けられた前記先端領域（Ｔ）に近接する第１の端部（１１２）と、先端流出を前記先端領域（Ｔ）付近から前記ピッチ領域（Ｐ）に半径方向内向きに再配向するための、前記ピッチ領域（Ｐ）に近接する第２の端部（１１４）とを有する第１のチャンネル（１１０）と、
   前記動翼（１０２）からの前記ターボ機械の作動流体の根元漏出を取り込むように位置付けられた前記根元領域（Ｒ）に近接する第１の端部（１１８）と、前記根元漏出を前記根元領域（Ｒ）付近から前記ピッチ領域（Ｐ）に半径方向外向きに再配向するため、前記ピッチ領域（Ｐ）に近接する第２の端部（１２０）とを有する第２のチャンネル（１１６）と
   を含む静翼（１０４）及び翼支持部。
7. ターボ機械用システムであって、
   外側ケーシング（１０６）及び内側ケーシング（１０８）間に位置付けられ、根元領域（Ｒ）と、先端領域（Ｔ）と、該先端領域（Ｔ）及び根元領域（Ｒ）間にあるピッチ領域（Ｐ）とを各々が有する動翼（１０２）及び静翼（１０４）と、
   第１のチャンネル（１１０）及び第２のチャンネル（１１６）の少なくとも１つと、
   を備え、
   前記第１のチャンネル（１１０）が、前記動翼（１０２）からの前記ターボ機械の作動流体の先端流出を取り込むように位置付けられた前記静翼（１０４）の先端領域（Ｔ）に近接する第１の端部（１１２）と、前記先端流出を前記先端領域（Ｔ）付近から前記ピッチ領域（Ｐ）に半径方向内向きに再配向するための、前記静翼（１０４）のピッチ領域（Ｐ）に近接する第２の端部（１１４）とを有し、
   前記第２のチャンネル（１１６）が、前記動翼（１０２）からの前記ターボ機械の作動流体の根元漏出を取り込むように位置付けられた前記静翼（１０４）の根元領域（Ｒ）に近接する第１の端部（１１８）と、前記根元漏出を前記根元領域（Ｒ）付近から前記ピッチ領域（Ｐ）に半径方向外向きに再配向するための、前記静翼（１０４）のピッチ領域（Ｐ）に近接する第２の端部（１２０）とを有する、
   システム。
8. 前記各チャンネル（１１０、１１６）が、前記ターボ機械の中心軸線の周りに互いから約９０°に位置付けられた４つのチャンネルを含む、請求項７に記載のシステム。
9. 前記少なくとも１つのチャンネルが前記静翼（１０４）内に配置される、請求項７に記載のシステム。
10. 前記各チャンネル（１１０、１１６）が前記外側ケーシング（１０６）又は内側ケーシング（１０８）のそれぞれに少なくとも部分的に位置付けられ、更に前記静翼（１０４）内に少なくとも部分的に位置付けられる、請求項７に記載のシステム。

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