JP2011137455A - 内部反動蒸気タービン冷却方式 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械のロータを提供する。
【解決手段】本ターボ機械のロータ１２は、中心軸線１４に設置されたロータドラム１３とロータドラムに固定された複数のバケットとを含む。第一負反動段が、軸方向挿入式ダブテールバケット１１６を含む。バケットダブテール５０とロータドラム１３内におけるダブテールスロットとの間に、冷却流７２のための軸方向通路７０が設けられる。冷却蒸気が、第一段バケット１１６及び第二段ノズル１１８間で取出されかつ軸方向通路７０を通ってロータ１２の上流端部における低圧シンク１４０に流れる。
【選択図】図９

Description

本発明は、総括的にターボ機械ロータに関する。より具体的には、本開示は、蒸気タービンロータの冷却に関する。

蒸気タービンシステムは、より高い蒸気温度に依存して効率を増大させるので、蒸気タービン、特にドラム型ロータ構成を利用した蒸気タービンは、ロータの有効寿命を損なわないようにするためにより高い蒸気温度に耐えることができなければならない。ロータ構成においては、より耐熱性のある材料を使用することができるが、そのような材料の使用は、多くの場合にロータ構成要素のコストを大幅に増大させる。ロータのための冷却媒体として高圧かつより低温の蒸気を使用することができるが、蒸気タービンの外部の供給源からのそのような冷却媒体の使用は、ロータのコストを大幅に増大させかつロータ性能を低下させる可能性がある。

米国特許第７４８８１５３号明細書

高価な耐熱性材料を利用する必要なしにターボ機械のドラムロータをそのロータ性能を低下させないように維持する低コストの手段を提供することは、望ましいと言える。

本発明の第１の態様では、ターボ機械のロータを提供する。本ロータは、中心軸線に配置されたロータドラムを含む。ターボ機械の一つの段落に複数のダブテールバケットが設けられる。複数のダブテールバケットは、ロータドラムの対応ダブテールスロット内の嵌合面でロータドラムに固定される。少なくとも１つの冷却通路が、ターボ機械の上記段落のロータドラム内に形成される。ロータドラムの上流端部に配置された低圧シンクが、冷却通路を通して冷却媒体流を受ける。

本発明の別の態様では、多段蒸気タービンを提供する。本蒸気タービンは、中心軸線に配置されたステータとステータの半径方向内側に配置されたロータとを含む。ロータは、ロータドラムと蒸気タービンの一つの段落のための複数のダブテールバケットとを含む。複数のダブテールバケットは、ロータの対応ダブテールスロット内の嵌合面でロータドラムに固定される。少なくとも１つの冷却通路が、ターボ機械の上記段落のロータドラム内に形成される。ロータドラムの上流端部に配置された低圧シンクが、冷却通路を通して冷却媒体流を受ける。

本発明のさらに別の態様では、ドラムロータの一つの段落のダブテールスロット内に軸方向挿入式ダブテールバケットを据付ける方法を提供する。本方法は、ダブテールバケットの各々について、ドラムロータの一段落のダブテールスロットの基部の軸方向貫通穴にツイストロック装置を挿入するステップを含む。ツイストロック装置の前方ヘッドのハーフヘッドは、ダブテールバケットをダブテールスロットに挿入できるように、半径方向内向きに配向される。スペーサが、一段落とその後段の段落との間のドラムロータの空間内に一時的に据付けられる。ダブテールバケットは、ロータドラムの上記段落のダブテールスロットに完全に挿入される。ツイストロック装置の前方ヘッドのハーフヘッドは、半径方向外向きに配向されてバケットを所定の位置に固定する。スペーサが、取外される。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読む時、より良好に理解されるようになるであろう。

蒸気タービンの実施形態の部分断面図。 ドラムロータの軸方向雌型ツリーダブテールスロットを備えた第一段のセクタの半径方向図。 軸方向ダブテールスロット内に軸方向挿入式ダブテールバケットを保持するようになったツイストロック装置を示す図。 バケットダブテールの軸方向挿入に備えて雌型ダブテールスロット内の所定の位置に配置されたツイストロック装置を示す図。 ドラムロータの雌型ダブテールスロット内に据付けられた雄型ダブテールを備えたバケットを含むタービンの段セクタの軸方向切断図。 ホイール（ロータ）面内のホイールステーキング溝を示す図。 バケットの雄型ダブテール及びドラムロータ内のスロット間の冷却スペースの拡大半径方向図。 ロータドラムを冷却するための冷却通路を備えた軸方向挿入式バケットの実施形態の軸方向図。 ロータドラムを冷却するための冷却通路を備えた反動段の実施形態の軸方向図。 反動段のバケットからのより高い下流圧力蒸気を利用してドラムロータを冷却する冷却通路を根元内に備えた第一反動段の接線方向挿入式バケットを示す図。

詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

本発明は、ドラムロータの反動段に対して冷却を行なって、ロータの寿命を維持しかつ耐熱性である高価な材料の代わりに標準的なロータ材料でロータを形成するのを可能にすることを含む多くの利点を有する。蒸気タービンにおけるロータの第一段は一般に、最も高い温度及び圧力に曝される。従って、特にロータドラムの第一段セクションに対して冷却を行なうことが望ましい。第一段における負根元反動のために、段バケットの出口から出る温度は、段バケットへの入口よりも低温になるが、段バケットの出口における圧力は、入口における圧力よりも高くなる。従って、段バケットへの入口よりも高い圧力である段バケットの出口における蒸気を使用して、バケットの下流のより低温の蒸気をドラムロータの第一段を冷却しかつ低圧シンクに吐出する径路を通して強制的に流すことができる。従って、ドラムロータ構造を備えた反動タービン内における段の下流のより低温の蒸気をドラムロータ上に切込まれた軸方向スロットにわたって軸方向挿入式ダブテールを配置することによって形成された冷却通路によって取出すような構成が設けられる。冷却通路は、ドラムロータ及びダブテールの嵌合面でドラムロータ内に形成される。これにより、冷却流がダブテールを通って流れかつその後に第一段ノズルの下流側面からパッキン側面に漏洩した流れと混合することが可能になる。この混合流れは、パッキン側面から流れかつドラムロータを冷却する。

上記の構成は、標準的設計よりもより多くの流れが第一段バケット上を流れるのを可能にすることによって性能利得をもたらすことができる。この構成はまた、反動／インパルスロータの高温ゾーンに冷却が導かれるのを可能にする。さらに、有利な冷却により、より高い作動温度の高価な材料の必要性がなくなる。加えて、新規な大量の構成要素に冷却を付加的に実施する必要性がまったくない。

図１に示すのは、本発明のロータにおける冷却メカニズムを備えた蒸気タービンのようなターボ機械の実施形態である。蒸気タービン１０は、蒸気タービンの軸線に回転可能に配置されたロータ１２を含む。タービンの段落は、ロータドラム１３の複数のバケットスロット１８内に固定されたバケット１６を含み、これらバケット１６は一般に、ロータ１２に沿った軸方向位置においてロータ１２の外周部の周りに延びる幾つかの列又は段落として構成される。蒸気タービン１０のステータ２４の複数のノズルスロット２２内には、複数の固定ノズル２０が固定される。例えば、ノズルスロット２２は、ステータ２４の内側キャリヤ内に設置することができる。ノズル２０は、バケット１６の段落間に設置された円周方向段として構成される。ロータ１２及びステータ２４は、それらの間に主流路２６を形成する。流体、例えば蒸気が、蒸気入口２３から主流路２６に沿って導かれかつ軸線１４周りでロータ１２を回転させる。

図２は、ロータドラム１３の軸方向雌型ツリーダブテールスロット３２を備えた第一段３０のセクタの半径方向図を示している。雌型ツリーダブテールスロット３２の基部には、バケット１６の雄型ツリーダブテール５０を軸方向に所定の位置に固定するために使用するツイストロック装置（図示せず）を受けるように切込まれたチャネルが設けられる。

バケットは、軸方向にホイール（ロータ）上に組立てることができる。バケットを所定の位置に保持するストップ／ロック機構が設けられる。図３は、軸方向ダブテールスロット内に軸方向挿入式ダブテールバケットを保持するようになったツイストロック装置４０の側面図を示している。ツイストロック装置４０は、その各端部にヘッド４４を備えた中央ピン４２を含む。中央ピン４２の第１の端部におけるヘッド４４は、ハーフヘッド４６として形成されかつステーキングタブを含む。中央ピン４２の第２の端部におけるヘッド４４は、フルヘッド４８を含む。ロータ内におけるチャネル３４は、中央ピンに適合する寸法にされている。中央ピン４２の長さは、チャネルをロータの前面の外側でハーフヘッド４６に整合させかつロータ段落の下流面の外側でピンの第２のヘッド４８と整合させるように設定される。

バケットを据付ける前に、ツイストロック装置４０は、ハーフヘッド４６が内向き半径方向に配向されるように配置される。ツイストロック装置４０は次に、雌型ダブテールスロット３２の下部のチャネル３４に向けてロータダブテール内に下方移動される。図４は、バケット雄型ツリーダブテールの軸方向挿入に備えて雌型ダブテールスロット３２のチャネル３４内の所定の位置に配置されたツイストロック装置を示している。ハーフヘッド４６を外向き半径方向に配向した状態でホイール（ロータ）ダブテール内にツイストロック装置４０を挿入した場合には、ハーフヘッド４６は、バケットの軸方向挿入式雄型ダブテール５０がホイール（ロータ）スロット内に摺動するのを阻止する。

バケットの軸方向挿入式雄型ダブテール５０は次に、軸方向にホイール（ロータ）スロット内に摺動される。軸方向挿入式雄型ダブテールバケットを所定の位置に配置する場合に、ツイストロック装置４０を１８０°ほど回転させて、図５に示すように、ハーフヘッド４６が半径方向外向きに配向されまた平坦表面４５が半径方向内向きになるようにする。ツイストロック装置４０におけるヘッド４６は、図６に示すようにホイール（ロータ）面４９のホイールステーキング溝４７の内部に曲げられる。下流側面上にはステーキングに使用可能なスペースが十分になく、従ってツイストロック装置４０は、その下流側にフル円筒形ヘッド４８を有する。ツイストロック装置４０をステーキングする（かしめる）ことにより据付けバケットの軸方向移動が防止される。

本発明のさらに別の形態では、一つの段落におけるドラム内に雌型ツリーダブテールを切込む時に、同時に段セクションの下流に位置する環状空間もロータドラム内に切込んで、切削ツールを取外すための空間を可能にする。取外し用の下流環状空間の少なくともセクタを形成したスペーサリングが、バケットの据付けを可能にするために取付けられる。スペーサリングの厚さは、バケットにおける雄型ダブテールの挿入を制限し、それによって正しい軸方向配向を達成するように設定される。バケットを正しい軸方向距離に挿入しかつ所定の位置に固定した後に、スペーサは取外される。

図７は、第一段バケットの雄型ダブテール５０及びロータドラム１３の相補形雄型突出部間の冷却スペース７０の拡大半径方向図を示している。雄型ダブテールは、その外側端部に拡大スペース７５を含み、拡大スペース７５は、冷却蒸気の流れのための軸方向チャネルを構成する。チャネルは、下流に位置する低圧チャネル内に冷却蒸気を吐出し、このことについては、以下に一層詳細に説明する。

図８は、軸方向挿入式ダブテールバケット１１６をロータドラム１３に取付けた状態でのロータドラム１３における冷却径路７０の軸方向断面図を示している。バケットの下流に位置する環状空間６０は、スペーサ６５（取外す前を図示している）を含む。ステーキングしたツイストロック装置４０は、ロータドラム１３内でバケット１１６の雄型ダブテール５０（図６）を軸方向に所定の位置に保持する。図８はまた、冷却蒸気７２のための軸方向流れチャネル７０を示している。冷却蒸気７２は、反動段の下流に位置する環状空間から受けられ、この場合反動段では圧力が上流側よりも高いが蒸気温度は大幅に低温である。冷却蒸気７２は、バケットの雄型ダブテールとロータドラムの雌型ダブテールとの間の軸方向スペース７０を通って流れることができる。

図９は、軸方向挿入式ダブテールバケット１１６を備えた反動第一段１１０を示している。雄型ダブテール５０を備えたバケット１１６は、上流の第一段ノズル１１４及び下流の第二段ノズル１１８間に配置される。ダブテールバケット１１６は、ロータドラム１３のダブテールスロット内に軸方向に据付けられる。ノズル１１４、１１８は、外側ケーシング（図示せず）によって支持することができる。ノズル１１４、１１８は、端部シュラウド２７上に取付けられた様々なシールを含み、ノズルブレード１１５、１１９を通り抜ける漏洩を防止することができる。シールには、歯形シール、Ｊ−シール及びラビリンスシールを含むことができる。バケットの雄型ダブテール及びドラムロータのスロット間のスペースを通る軸方向チャネル７０は、下流冷却蒸気を低圧チャネルリークオフ吐出径路１４０に導くことができる。第一段ノズル１１４上のラビリンスシール１３２は、ノズルブロック２３からのより高い圧力が下流リークオフ径路内に流入するのを防止する。ノズルブロック２３からのより高い圧力は、冷却径路を通る冷却流を阻止する可能性がある。同様に、歯形シール又はＪ−シールは、第一段ノズル１１４及び第一段バケット１１６間の漏洩がリークオフ経路１４０に流入しかつそれによって冷却流７２を制限するのを防止することができる。

本発明のさらに別の対応では、ロータ１２のロータドラム１３内にブレード１５１を備えた第一段接線方向挿入式バケット１５０がブレード１１５を備えた第一段ノズル１１４とブレード１１９を備えた第二段ノズル１１８との間に配置される。バケット１５０のダブテール１５３には、図１０に示すように反動段１１０のバケット１５０の下流にあるより高い圧力蒸気Ｐ₂を利用してロータドラム１３を冷却する冷却通路を設けることができる。軸方向冷却通路１５５は、バケット１５０及び次ぎのノズル１１８間に設けられる。バケット１５０の根元１８０を貫通する冷却通路１５５は、ここでも同様に冷却蒸気を低圧リークオフ吐出径路１４０に吐出する。シール１３１及び１３２は、蒸気入口２３からの漏洩並びに第一段ノズル１１４及びバケット１５０間の空間からの漏洩がリークオフ経路１４０に流入しかつそれによって冷却流を制限するのを防止する。

限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１０ 蒸気タービン
１２ ロータ
１３ ロータドラム
１４ 軸線
１５ ドラムの前面
１６ バケット
１７ ブレード
１８ バケットスロット
１９ ドラムの後面
２０ 固定ノズル
２２ ノズルスロット
２３ ノズルブロック
２４ ステータ
２６ 蒸気流路
２７ 端部シュラウド
２８ 蒸気
３０ 第一段
３２ 雌型ツリーダブテールスロット
３４ ロック装置のためのチャネル
３５ 雄型突出部
４０ ツイストロック装置
４２ 中央ピン
４４ ヘッド
４５ 平坦表面
４６ ハーフヘッド
４７ ホイールステーキング溝
４８ フルヘッド
５０ 雄型ダブテール
６０ 環状空間
６５ スペーサリング
７０ 軸方向流れチャネル
７２ 冷却蒸気
７５ 拡大スペース
７６ 外側端部
１１０ 反動段
１１４ 第一段ノズル
１１５ ノズルブレード
１１６ 第一段バケット
１１７ 第一段ブレード
１１８ 第二段ノズル
１１９ ブレード
１３１ 歯形シール
１３２ ラベリンスシール
１３３ Ｊ−シール
１３５ 第一段ノズル及びバケット間の空間
１４０ リークオフ径路
１５０ 接線方向挿入式バケット
１５１ ブレード
１５３ ダブテール
１５５ 冷却チャネル
１６０ Ｐ₂
１６５ Ｐ₁
１７０ 冷却蒸気

Claims (10)

1. ターボ機械（１０）のロータ（１２）であって、
   中心軸線（１４）に配置されたロータドラム（１３）と、
   ターボ機械（１０）の一つの段落（３０）の複数のダブテールバケット（１６）であって、ロータドラム（１３）の対応する複数のダブテールスロット（３２）内の嵌合面でロータドラムに固定されるダブテールバケット（１６）と、
   ターボ機械（１０）の上記段落（３０）のロータドラム（１３）内に形成された少なくとも１つの冷却通路（７０）と、
   ロータドラム（１３）の上流端部に配置されて、冷却通路（７０）を通して冷却媒体流（７２）を受ける低圧シンク（１４０）と
   を備えるロータ（１２）。
2. 前記段落（３０）が、蒸気タービン（１０）のロータドラム（１３）における第一段負反動段である、請求項１記載のロータ（１２）。
3. 冷却媒体流（７２）が、前記段落（３０）の複数のダブテールバケット（１６）の各々の直ぐ下流に空間（６０）を含む蒸気タービン（１０）の下流部分から冷却通路（７０）内に送られた蒸気を含む、請求項２記載のロータ（１２）。
4. 複数のダブテールスロット（３２）が、複数のダブテールバケット（１６）を軸方向に挿入するようにロータドラム（１３）内に切込まれる、請求項３記載のロータ（１２）。
5. ターボ機械（１０）の段落（３０）におけるロータドラム（１３）内に形成された少なくとも１つの冷却通路（７０）が、ダブテールバケット（１６）の雄型ダブテール（５０）及びロータドラム（１３）の相補形雄型突出部（３５）間に形成された少なくとも１つのスペース（７５）を含む、請求項４記載のロータ（１２）。
6. 複数のダブテールスロット（３２）が、複数のダブテールバケット（１５０）を接線方向に挿入するようにロータドラム（１３）内に切込まれ、ターボ機械（１０）の段（１１０）におけるロータドラム内に形成された少なくとも１つの冷却通路（１５５）が、ダブテールの上方でダブテールバケットの根元（１８０）を軸方向に貫通した穴を含む、請求項３記載のロータ（１２）。
7. 複数のダブテールスロットの各ダブテールスロット（３２）の基部に位置するロータドラム（１３）の軸方向貫通穴（３４）と、ロータドラム（１３）の軸方向貫通穴（３４）内に据付けられかつダブテールバケット（１６）を軸方向に保持するようになったツイストロック装置（４０）とをさらに含み、ツイストロック装置（４０）が、中央ピン（４２）及び中央ピンの各端部における保持ヘッド（４４）を含み、保持ヘッド（４４）の前方ヘッドが、半径方向内向きに回転可能であってダブテールスロット（３２）内へのダブテールバケット（１６）の挿入を可能にしかつ半径方向外向きに回転可能であってダブテールスロット内にダブテールバケットを保持する回転可能ハーフヘッド（４６）を含む、請求項１記載のロータ（１２）。
8. 第一段バケット（１１６）及び第二段ノズル（１１８）間でロータドラム（１３）の周りに取付けられて、ロータドラム（１３）内へのダブテールバケット（１１６）の挿入時に一時的に使用されるようになった環状スペーサ（６５）をさらに含み、環状スペーサが、複数のダブテールバケット（１１６）を軸方向に位置決めする寸法にされている、請求項７記載のロータ（１２）。
9. 冷却通路（７０）から低圧シンクに延びる少なくとも１つのロータドラム貫通穴（１４０）を含み、低圧シンクが、少なくとも第一段（１１０）の根元スピルを含む、請求項１記載のロータ（１２）。
10. 多段蒸気タービン（１０）であって、当該多段蒸気タービンが、
    中心軸線（１４）に配置されたステータ（２４）と、
    ステータ（２４）の半径方向内側に配置されたロータ（１２）と
    を備えており、上記ロータ（１２）が、
    ロータドラム（１３）と、
    蒸気タービン（１０）の一つの段落（３０）の複数のダブテールバケット（１６）であって、ロータ（２３）の対応する複数のダブテールスロット（３２）でロータドラムに固定されるダブテールバケット（１６）と、
    蒸気タービン（１０）の上記段落（３０）のロータドラム（１３）内に形成された少なくとも１つの冷却通路（７０）と、
    ロータ（１２）の上流端部に配置されて、冷却通路（７０）を通して冷却媒体流（７２）を受ける低圧シンク（１４０）と
    を備えている、蒸気タービン（１０）。