JP2011117451A - 部品に対するエロージョンの影響を低減させるためのシステム - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービンの静止部品に接触する蒸気／水混合物から水分を除去するためのシステムを提供する。
【解決手段】本システムは、蒸気タービンの流路内に設置された翼形部（１０２、１０４）を含む。翼形部（１０２、１０４）は、流路内を移動する蒸気／水混合物から水分を除去するように構成される。この目的のために、翼形部（１０２、１０４）は、それぞれ該翼形部（１０２、１０４、）の前縁及び後縁（１１０、１１２）付近の少なくとも１つの入口及び出口開口部（２１８、２２０）を通して蒸気径路と流体連通した空洞（２１４）を含む。水分及び蒸気が表面から入口開口部（２１８）を通して抽出され、その蒸気及び水は空洞（２１４）内で分離され、分離した水は下端部に向けて流れ、また乾燥蒸気は出口開口部（２２０）を通って流れかつ蒸気径路に戻る。後縁（２０８）から吹出す乾燥蒸気は、二次液滴の粒径を減少させ、それによってエロージョンを防止する。
【選択図】 図２

Description

本出願は、総括的には蒸気タービンに関し、より具体的には、蒸気タービン部品が受けるエロージョンのレベルを低下させるためのシステムに関する。

低圧蒸気タービンは一般に、湿り蒸気によって駆動され、湿り蒸気の水分は、水の膜又は水滴の形態となる可能性がある。この水分により、蒸気タービン部品の効率損失及びエロージョン可能性が生じる。蒸気の水分がノズル（静翼）又はバケット（動翼）に悪影響を与える場合に、このエロージョンは、蒸気タービン翼形部／ブレードにおいて最も顕著である。エロージョンは、その速度及び局所湿り値が最も高い蒸気タービンの幾つかの最終段においてさらに一層悪化する。

蒸気タービン部品に集積する水滴の量及び／又は粒径を減少させるための幾つかの解決法が提案されてきた。１つの解決法では、動翼の前縁に近接させて半径方向溝を付加して、付着水分を除去する。しかしながら、このような溝は、動翼及び上流の静翼に対して既に大きな効率損失を発生させた水分を除去するのみである。他の解決法は、ノズルの外側壁（端部壁）内に設けられた水排出装置による又は中空ステータ翼形部内に形成された吸入スロットによる水除去を備えた保護手段に依存している。これらの水分は次に、ダイアフラム及びケーシング間の円周方向空洞内に収集されかつ復水器に排出される。

これらの水分除去の概念は、蒸気径路及び中空ブレード内部スペース間における圧力低下によって促進されるスロットを通してのブレード表面からの水分の抽出に基づいている。この圧力低下により、中空ステータ翼形部を通って復水器内に流れる大きな蒸気量が生じる。これは、蒸気タービン効率を低下させる。

別の最近開発された方法では、翼形部内の複数のボアを通してブレード表面から水分を抽出する。その場合には、抽出した水分は、外部蒸気／水分分離器に導かれ、分離した水は排出され、また蒸気は、正圧側面の中央部に設置された蒸気噴射ボアを通して主蒸気径路に戻される。この方法は、水分除去を行なうと同時に蒸気径路内への蒸気再挿入を行ない、従って蒸気タービン効率を向上させる。しかしながら、ブレードエロージョンを減少させることを目的とする更なる構造を構成する上での改良の余地が依然として残っている。

米国特許第７４２２４１５号明細書

その結果、効率損失及びエロージョン可能性のような蒸気タービン部品における水分関連問題を効果的にかつコスト効果がある状態で減少させる改良型のシステムに対する要望が存在する。

本発明の実施形態によると、蒸気タービンの静止部品に接触する蒸気／水混合物から水分を除去するためのシステムを提供し、本システムは、蒸気タービンの流路内に設置された翼形部の群の中に配置されかつ該流路内を移動する蒸気／水混合物から水分を除去するように構成された翼形部を含み、翼形部は、共同で前縁、後縁、負圧側面及び正圧側面を形成した、第１及び第２の長手方向端部並びに該第１及び第２の長手方向端部を統合した外周壁と、前縁の一部分及び後縁の一部分間で横方向に延びかつ流路と流体連通した入口開口部及び該流路と流体連通した出口開口部を備えた抽出空洞と、蒸気／水混合物を実質的に蒸気及び水に分離するように構成され、翼形部の一部分内で長手方向に延びかつ抽出空洞と統合された上端部及び水を該翼形部から流出させるのを可能にするように構成された下端部を備えた空洞とを含み、運転中に蒸気／水混合物が流路内を移動する時に、入口開口部が該蒸気／水混合物の一部分を吸込み、次に前縁及び後縁にわたる圧力低下により該蒸気／水混合物の一部分が空洞に流入するのを可能にしかつ蒸気及び水の密度により蒸気から水が分離されるのを可能にして、次に水が下端部に向けて流れ、また蒸気が出口開口部を通って流れかつ蒸気径路に戻るようになる。

それを通る蒸気及び水分流れを示す蒸気タービン段の一部分の概略断面図。 本発明の実施形態による翼形部の斜視図を概略的に示す図。 本発明の実施形態による翼形部を通る流路を示す、図２の翼形部の上面断面図。 本発明の別の実施形態による、複数の入口開口部を有する翼形部の概略上面図。 本発明のさらに別の実施形態による、複数の開口部を有する翼形部の概略斜視図。

本明細書で用いる以下の用語は、次のように定義される。「下流方向」及び「上流方向」という用語は、蒸気タービンを通る作動流体の流れに対する方向を示している。従って、「下流方向」という用語は、その流れの方向を意味し、また「上流方向」という用語は、蒸気タービンを通る流れの反対方向を意味している。これらの用語に関連して、「後方」及び／又は「後縁」という用語は、説明している部品の下流方向、下流端部及び／又は下流端部の方向を意味する。さらに、「前方」又は「前縁」という用語は、説明している部品の上流方向、上流端部及び／又は上流端部の方向を意味する。

図１は、それを通る蒸気及び水分流れを示す蒸気タービン段の一部分の概略断面図である。図１は、様々な段部品を通る蒸気及び水分流れを示す蒸気タービン段の一部分を示している。蒸気タービン段は一般に、２つの分散配置した翼形部の列、つまり１つの静翼１０２の列及び他の動翼１０４の列を含み、動翼１０４が、静翼１０２の下流に配置されている。静翼１０２（ノズルと呼ぶこともある）は、動翼１０４（バケットと呼ぶこともある）に蒸気を導いて、蒸気圧力に対応する速度で該動翼１０４を回転させることができる。同時に、静翼１０２の組及び動翼１０４の組は、蒸気タービン段を形成し、また蒸気タービンは、複数のそのような段を含むことができる。

低圧蒸気タービンでは、蒸気の一部が、核となって、一次液滴１０６と呼ばれる水分滴を形成する可能性があり、これら一次液滴１０６は、非常に小径（一般に０．２ミクロンよりも小さい）のものとなる可能性がある。図１に示すように、これら一次液滴１０６は一般に、主蒸気径路（その全体を参照符号１０８で示す）に沿っている。しかしながら、慣性及び乱流付着により、幾らかの一次液滴１０６は、水の膜又は細流の形態でノズル表面に付着する可能性がありかつ下流方向にノズルの後縁１１２に移動する可能性がある。加えて、主蒸気径路１０８は翼形部チャネル内側に方向転換しているので、遠心力により、液滴が翼形部の正圧側面に向けて押付けられる。それらの液滴はまた、翼形部の正圧側面の後縁１１２付近に集積する、つまり下流方向に後縁１１２に移動する水の膜及び細流を形成する。後縁１１２に達すると、それら水の膜又は細流は、静翼１０２から離脱する傾向になりかつ比較的大きい二次液滴１１６（１００〜３００ミクロンほどもの大きさ）を形成する可能性がある。

二次液滴１１６は、主蒸気径路１０８によって加速される可能性があり、またその粒径のために該主蒸気径路１０８の背後に遅れる可能性がある。周囲の蒸気よりも低速で移動する二次液滴１１６は、下流の動翼１０４に達しかつ前縁１１８の負圧側面（凸面形側面）に衝突する可能性がある。この水分衝突により、蒸気タービンにおけるエロージョン可能性及び効率損失が生じるおそれがある。

回転ブレードに対するエロージョン作用を低減するためにまた蒸気タービン効率を向上させるために、本発明の実施形態は、改良型の翼形部２００を提供する。図２は、本発明の実施形態による翼形部２００の斜視図を示す概略図である。１つの実施形態では、翼形部２００は、翼形部の組として分散配置することができる静翼とすることができ、或いは翼形部２００は、第１段静翼とすることができる。翼形部２００は、図２に示すように低圧蒸気タービン内に設置することができ、この図２では、主蒸気径路２０２を破線で示しており、またハッシュド線は、水分径路２０４を示している。翼形部２００は一般に、前縁２０６、後縁２０８、正圧側面２１０及び負圧側面２１２を形成した２つの長手方向端部及び外周壁を有するものとして記述することができる。

翼形部２００の実施形態は、該翼形部２００の表面から水分を吸込む少なくとも１つの開口部２１８を含むことができる。幾らかの蒸気もまた、水分と共に逸出させて、該蒸気を主蒸気径路２０２に戻すことができる、つまり翼形部２００は、その蒸気から水分を分離し、その水分を排出しかつ乾燥蒸気を主蒸気径路２０２に戻す空洞２１４を含むことができる。この空洞２１４の特徴により、蒸気タービン効率を増大させることができる。空洞２１４は、翼形部２００の長さの少なくとも一部分を貫通して長手方向に延びることができる。空洞２１４の上端部は、翼形部２００の上端部表面と統合することができ、一方、空洞２１４の下端部は、水分排出（ドレン）装置２１６を含むことができる。水分排出装置２１６は、外部復水器に連結することができる。これにより、将来の使用のために排出水を復水器に流すのを可能にすることができる。各翼形部２００からの水分排出装置２１６は、ダイアフラム外側リング又は内側リング内の円周方向空洞に連結し、円周方向空洞により、翼形部２００から収集した水を外部復水器に供給することができる。別の実施形態では、翼形部２００は、中空としかつ復水器と統合していないものとすることができる。本発明の別の実施形態では、水分排出装置２１６は、図５に示すように共通受液器５００に吐出することができる。

翼形部表面を空洞２１４に連結した１つ又はそれ以上の入口開口部２１８及び出口開口部２２０は、それぞれ翼形部２００の表面から水分を抽出しかつ乾燥蒸気を主蒸気径路２０２内に再導入することができる。さらに、入口開口部２１８及び出口開口部２２０は、その用途に応じて、複数の開口部又は単一の長手方向に延びる空洞を含むことができる。図２は、入口開口部の１つの実施形態を示しており、この実施形態では、入口開口部２１８は空洞２１４を前縁２０６の外表面に連結することができる。入口開口部２１８は、前縁２０６の一部分に沿って長手方向に延びることができる。入口開口部は、主蒸気径路２０２と流体連通させることができる。この入口開口部２１８は、前縁２０６の外表面から空洞２１４に延びることができる。

入口開口部２１８の位置は、翼形部２００にわたる圧力分布に基づいたものとすることができる。単一の入口開口部２１８は、前縁２０６、正圧側面２１０又は負圧側面２１２のような、水分抽出を可能にする翼形部２００上のあらゆる位置に設置することができる。翼形部２００が複数の入口開口部２１８を含む場合には、翼形部表面上の入口開口部２１８の位置は、それら複数の入口開口部２１８間の圧力差を最小にするように選択することができる。入口開口部２１８間において最小圧力差を維持することにより、１つの入口開口部２１８から流入する蒸気が別の入口開口部２１８から流出しないことを保証することができる。例えば、それに限定されないが、入口開口部２１８は、同様の圧力値を有する最大水分衝突力の領域において翼形部表面に設置することができる。

同様に、出口開口部２２０は、翼形部２００にわたる圧力分布に基づいて配置することができる。出口開口部２２０は、入口開口部２１８の圧力レベルよりも低い圧力レベルとして、蒸気が低圧区域に向けて移動しかつ翼形部２００から流出するようにすることができる。後縁２０８は一般に、翼形部２００における最低圧力値を有し、１つの実施形態では、出口開口部２２０は、後縁２０８付近に配置することができる。出口開口部２２０は、空洞２１４から後縁２０８の表面まで延びることができる。出口開口部２２０はまた、後縁２０８の少なくとも一部分に沿って長手方向に延びることができる。出口開口部２２０はまた、主蒸気径路２０２と流体連通させることができる。他の実施形態では、出口開口部２２０は、入口開口部２１８よりも比較的低い圧力領域に配置することができる。図２では、入口開口部２１８及び出口開口部２２０の実施形態は、翼形部端縁に沿って延びる単一の細長いスロットとして図示している。

前縁２０６に設置することができる入口開口部２１８は、主蒸気径路２０２及び空洞２１４間の圧力差により水の膜／水滴を吸込むことができる。入口開口部２１８及び出口開口部２２０間の通路の構造は、翼形部２００の後縁２０８において負圧を含むことができる。入口開口部２１８における比較的高い圧力と組合せた作用により、後縁２０８に向かう全体的流れを含む、翼形部２００にわたる実圧力低下を発生させることができる。その結果として、また入口開口部２１８を通して空洞２１４内に蒸気（主蒸気径路２０２からの）を吸込むことができる。蒸気−水混合物が空洞２１４に流入した後に、水は混合物から自然に分離することができる。この作用は、比較的大きい空洞２１４寸法の効果に関連する速度低下により行なわせることができる。

重力が低速蒸気−水混合物に作用し、より密度が大きい水を自然に分離させかつ空洞２１４の底部に収集することができる。残留蒸気は、後縁２０８に向けて流れることができる（後縁２０８における圧力をより低くすることができるので）。この蒸気は、出口開口部２２０を介して主蒸気径路２０２に再導入させることができる。この場合には、出口開口部２２０は空洞２１４よりも比較的狭くすることができ、従って乾燥蒸気の速度は、主蒸気径路２０２に再流入させるのに先立って増大させることができる。後縁２０８から流出する乾燥蒸気は、該後縁２０８付近に集積する二次液滴１１６の粒径を減少させることができる。乾燥流出蒸気は、翼形部２００の表面に集積した水分フィルムにエネルギーを与えて、液滴の粒径を減少させ、従って蒸気タービンブレードに対する二次液滴１１６の影響を低減することができる。水分は上流の静翼１０２内で大幅に除去することができかつ残留水分の水滴粒径は減少させることができるので、下流の動翼１０４は、エロージョンによる影響を受ける可能性は殆どない。

本発明の別の実施形態では、空洞２１４内に蒸気／水分分離器（図示せず）を据付けることができる。分離器は、遠心力或いは衝突及び重力を使用して、蒸気−水混合物から水を分離することができる。例えば、それに限定されないが、空洞２１４内に円筒形パイプを導入することができる。この場合には、蒸気−水混合物は、接線方向に円筒形パイプ内に導いて、遠心力により水を分離するのを可能にすることができる。分離した水は、水分排出装置２１６を使用して、収集しかつ排出することができる。水分排出装置２１６は次に、それに限定されないが給水リザーバ又は復水器のような共通受液器に対して分離した水を吐出することができる。それに代えて、水分排出装置２１６は単に、分離した水を廃棄することができる。それに代えて、あらゆる従来型の機構を使用して、空洞２１４内の蒸気から水を分離することができる。

図４は、本発明の別の実施形態による、複数の入口開口部を有する翼形部２００の概略上面図である。この実施形態は、前縁２０６付近で負圧側面２１２に設置することができる第１の入口開口部４０２と、正圧側面２１０に沿って設置することができる第２の入口開口部４０４とを含むことができる。出口開口部２２０は、図２に示すように後縁２０８付近に設置することができる。運転時に、二次液滴１１６は、負圧側面前縁２０６に衝突する可能性がある。この別の実施形態の入口開口部４０２及び４０４は、この一般的区域内に設けることができる。この別の実施形態では、入口開口部４０２及び４０４間において最小圧力差を維持しようとしている。正圧側面２１０に沿った入口開口部４０４の位置は、２つの入口間における圧力差を有効作動のための最小レベルに保持するように選択することができる。

入口開口部４０２及び４０４並びに出口開口部２２０を含む空洞２１４の構造は、図２に関連して説明した構造と同様にすることができる。入口開口部４０２及び４０４の両方からの蒸気−水混合物は、空洞２１４に流入することができる。この場合には、水は、説明したのと同様に、乾燥蒸気から分離しかつ出口開口部２２０を介して流出させることができる。

図５は、本発明のさらに別の実施形態による、複数の開口部を有する翼形部２００の概略斜視図である。

この実施形態における出口開口部２２０は、空洞２１４から主蒸気径路２０２内に乾燥蒸気を吹出す複数のポートとすることができる。同様な実施形態では、入口開口部２１８は、複数のポートの形態を取ることができる。前縁２０６表面からの水分は、圧力低下によりこれらポート内に導くことができる。これらの入口ポートの周りに陥凹空洞を設けて、水分収集を可能にしかつ水分を入口ポート内に導くことができる。入口ポート及び出口ポートは用途に応じてあらゆる形状又は数のものとして形成することができること、また入口又は出口ポートの形状、数或いは寸法における変更は本発明の技術的範囲から逸脱するものではないことを理解されたい。

図５は、本発明の別の実施形態による、共通受液器５００に吐出する水分排出装置２１６を示している。この実施形態は、その各々が水分排出装置２１６を有する複数の翼形部２００を使用した蒸気タービンに適用することができる。

図５は、本発明の別の実施形態による、スワール機構５１０と統合した空洞２１４を示している。スワール機構５１０は、翼形部２００を通って流れる蒸気／水混合物の蒸気から水を分離するのを助けることができる。スワール機構５１０は、スワーラ、インペラ又は同様のものの形態を含むことができる。この場合では、翼形部２００を通って流れる蒸気／水混合物が、スワール機構５１０を運動させる。

可能な場合には何時でも、一般的技術用語を使用しかつ本開示における通義に一致するようにそれら用語を用いてきた。しかしながら、あらゆるそのような用語は広範な意味を付与されておりかつ本明細書に意図した意味及び特許請求の範囲の技術的範囲が不当に限定されるように狭く解釈されることがないことを意図している。多くの場合に特定の部品は幾つかの異なる名称で呼ぶことができることは、当業者には分るであろう。加えて、本明細書で単一の部品として説明することができるものは、幾つかの部品部品を含むことができまた別の状況では幾つかの部品部品から成るものとして言及することができ、或いは本明細書で複数の部品部品を含むものとして説明することができるものは、単一の部品に構築することができまた幾つかのケースでは単一の部品として言及することができる。従って、本発明の技術的範囲を理解する際には、記載した用語及び説明だけでなく、本明細書に説明した部品の構造、構成、機能及び／又は用途にも注意を払われたい。

当業者には解るように、幾つかの例示的な実施形態に関して上述した多くの様々な特徴及び構成は、本発明の他の可能な実施形態を形成するようにさらに選択的に適用することができる。簡潔にするためにまた当業者の能力を考慮して、可能な反復の全てを示し又は詳細に論じていないが、幾つかの特許請求項又はその他に包含される全ての組合せ及び可能な実施形態は、本出願の一部であることを意図している。加えて、本発明の幾つかの例示的な実施形態の上記の説明から、当業者は、その改良、変更及び修正に気付くであろう。当技術の範囲内のそのような改善、変更及び修正もまた、特許請求の範囲によって保護されることを意図している。さらに、前述の説明は本出願の記載した実施形態のみに関するものであること、並びに提出した特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本出願の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、本明細書において多くの変更及び修正を行なうことができることは明らかであろう。

１０２ 静翼
１０４ 動翼
１０６ 一次液滴
１０８ 主蒸気径路
１１０ 前縁
１１２ 後縁
１１４ 正圧側面
１１６ 二次液滴
１１８ 前縁
２００ 翼形部
２０２ 主蒸気径路
２０４ 水分径路
２０６ 前縁
２０８ 後縁
２１０ 正圧側面
２１２ 負圧側面
２１４ 空洞
２１６ 水分排出装置
２１８ 入口開口部
２２０ 出口開口部
３００ 翼形部の上面図
４００ 翼形部の上面図
４０２ 第１の入口開口部
４０４ 第２の入口開口部
５００ 共通受液器
５１０ スワール機構

Claims (10)

1. 蒸気タービンの静止部品に接触する蒸気／水混合物から水分を除去するためのシステムであって、
   前記蒸気タービンの流路内に設置された翼形部の群の中に配置されかつ該流路内を移動する蒸気／水混合物から水分を除去するように構成された翼形部（１０２、１０４）を含み、前記翼形部（１０２、１０４）が、
   共同で前縁（１１０）、後縁（１１２）、負圧側面及び正圧側面（１１４）を形成した、第１及び第２の長手方向端部並びに該第１及び第２の長手方向端部を統合した外周壁と、
   前記前縁（１１０）の一部分及び前記後縁（１１２）の一部分間で横方向に延びかつ前記流路と流体連通した入口開口部（２１８）及び該流路と流体連通した出口開口部（２２０）を備えた抽出空洞（２１４）と、
   前記蒸気／水混合物を実質的に蒸気及び水に分離するように構成され、該翼形部（１０２、１０４）の一部分内で長手方向に延びかつ前記抽出空洞（２１４）と統合された上端部及び水を該翼形部から流出させるのを可能にするように構成された下端部を備えた空洞（２１４）と、を含み、
   運転中に前記蒸気／水混合物が前記流路内を移動する時に、前記入口開口部（２１８）が該蒸気／水混合物の一部分を吸込み、次に前記前縁（１１０）及び後縁（１１２）にわたる圧力低下により該蒸気／水混合物の一部分が前記空洞（２１４）に流入するのを可能にしかつ蒸気及び水の密度により蒸気から水が分離されるのを可能にして、次に水が前記下端部に向けて流れ、また蒸気が前記出口開口部（２２０）を通って流れかつ蒸気径路に戻る、システム。
2. 前記入口開口部（２１８）が、前記前縁（１１０）の一部分に設置される、請求項１記載のシステム。
3. 前記出口開口部（２２０）が、前記後縁（１１２）の一部分に設置される、請求項２記載のシステム。
4. 複数の入口開口部（２１８）をさらに含む、請求項１記載のシステム。
5. 複数の出口開口部（２２０）をさらに含む、請求項１記載のシステム。
6. 前記空洞（２１４）の下端部と統合された水分ドレン（２１６）をさらに含む、請求項１記載のシステム。
7. 前記翼形部（１０２、１０４）から水を除去するように構成された水分排出システム（２１６）をさらに含む、請求項６記載のシステム。
8. 前記入口開口部（２１８）が、前記翼形部（１０２、１０４）の正圧側面に設置される、請求項１記載のシステム。
9. 前記出口開口部（２２０）が、前記翼形部（１０２、１０４）の後縁に設置される、請求項８記載のシステム。
10. 蒸気から水を分離するスワール機構（５１０）をさらに含む、請求項１記載のシステム。

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