JP2011220336A - シュラウド渦除去装置 - Google Patents

Abstract

【課題】凝縮蒸気タービン用の排気フードに関し、排気フード内のディフューザ形状を提供する。
【解決手段】凝縮蒸気タービン４１０用の最終段動翼４１９上の先端シュラウドは、著しい妨害を形成し、ディフューザの蒸気ガイド４２３、４２４の壁に渦を形成して、蒸気流が蒸気ガイドの壁から分離する場合がある。渦が形成されると、残りの流体が拡散するための有効流路面積が減少して、回収が不十分になる。蒸気ガイド４２３、４２４内壁４８０に沿って所定の深さおよび距離の内向き径方向凹部４２５を設ける。凹部４２５によって、先端漏れ流れの向きがわずかに下方に変わって、シュラウドの妨害効果が小さくなる。
【選択図】図５

Description

本発明は一般的に、凝縮蒸気タービン用の排気フードに関し、より具体的には、排気フード内のディフューザ形状に関する。

低圧蒸気タービンでは、排気フードに対する圧力回収を２つの部分に分けることができる。１）ディフューザ入口から蒸気ガイドの端部までの圧力回収、および２）蒸気ガイドの端部から凝縮器までの圧力回収である。蒸気ガイドから下流で圧力回収を行なうことは、排気フードが蒸気ガイド端部の後に多くの支柱を収容しているため、非常に難しい。結果として、蒸気ガイド内で何らかの可能な改善を用いなければならない。

ディフューザ入口から蒸気ガイドの端部までの圧力回収は、ディフューザに対する多くのパラメータに依存する。たとえば、１）面積比（出口面積／入口面積）、２）最終段動翼の中心線の後で利用可能な軸長（回転半径が導き出される）、３）最終段動翼先端漏れ流れ、および４）最終段動翼シュラウド厚さ（シュラウド厚さが大きいほど、より大きな棒が形成される）。

ディフューザ軸方向距離は、最終段動翼中心線からディフューザの端部までの利用可能な距離として測定される。これは、一般的に動翼高さの２倍であり、「２＊Ｌｂｗ／ａｌ」と表現される。たとえば、動翼高さが４０”ならば、ディフューザ軸長は８０”となる。

蒸気タービンの場合、ディフューザの軸長を短くすると、ロータ・シャフトの長さが直接短くなるため、コスト的に有利である。ディフューザに対する軸長を短くして、たとえば「１．６＊Ｌｂｗ／ａｌ」にすると、必要な面積比を維持するためには回転半径を大きくする（より積極的な蒸気ガイドにする）必要がある。回転半径が大きいと、常に、蒸気ガイドから蒸気流が分離する原因になる。図１に、先端シュラウド６を有する長さＬの動翼５から排気を受け取る第１のディフューザ１０を例示する。第１のディフューザ１０は、第１の軸長１５、蒸気ガイド壁の緩やかな湾曲２０、および第１の出口面積３０を有する。第２の短くしたディフューザ５０も例示する。第２のディフューザ５０は、軸長５５は短いが、出口面積６５は増加していて、同じ面積比が維持されている。その結果、蒸気ガイド壁７０のより積極的な湾曲６０が必要となるため、蒸気ガイド壁から流れが分離する原因になる場合がある。

流れの分離を小さくする方法の１つは、たとえば、最終段動翼の先端隙間を大きくすることによって、境界層噴出を用いることである。先端隙間から来る噴流によって、この流れ分離が小さくなり、その結果、圧力回収が向上することになる。しかし隙間を大きくすることは、最終段動翼の性能に影響が出るため、望ましくない。

これに加えて、最終段動翼上のシュラウドに対する厚さが大きくなると、シュラウドから離れる渦が原因で、流れの妨害が生じることになる場合がある。渦の存在によって、損失がさらに大きくなる。図２に、ディフューザ１０内に渦７５を形成する最終段動翼５上の先端シュラウド６の効果を例示する。先端シュラウド５による妨害によって、ゆっくりと移動する蒸気７０が形成され、これによって、拡大しながらゆっくりと移動する渦７５が形成される。

米国特許第４，５６７，７２９号明細書

したがって、積極的な蒸気ガイド内で圧力回収を向上させる手段を提供することは望ましいであろう。

本発明の第１の態様によれば、最終段動翼環を有する内部ケーシングと、最終段動翼環の動翼上の先端シュラウドと、内部ケーシングと軸径方向ディフューザとを囲む排気フードと、を備える低圧蒸気タービンが提供される。軸径方向ディフューザは、排気フード内の最終段動翼環の出口に内部蒸気ガイドと外部蒸気ガイドとを備えている。外部蒸気ガイドの内壁には、最終段動翼の出口から下流に内向き径方向凹部が設けられている。内向き径方向凹部の深さおよび場所を、外部蒸気ガイドの壁上の蒸気の渦を小さくするように設定する。

本発明の別の態様によれば、軸径方向ディフューザが、排気フード内の凝縮蒸気タービン用の最終段動翼環から下流に配置される。ディフューザは、内部蒸気ガイドと、内壁を備える外部蒸気ガイドと、外部蒸気ガイドの内壁上の最終段動翼の出口から下流に配置された内向き径方向凹部と、を備えている。凹部の軸方向の位置決めと深さとは、最終段動翼の出口から下流の外部径方向壁上の蒸気渦を減らすように選択される。

本発明のさらなる態様によれば、先端シュラウドを有する最終段動翼の下流の蒸気タービン用のディフューザの外部蒸気ガイド上の渦形成を低減する方法が提供される。本方法は、外部蒸気ガイドと内部蒸気ガイドとを最終段動翼の出口環に配置することと、外部蒸気ガイドの壁上に内向き径方向凹部を設けることであって、内向き径方向凹部は、最終段動翼の中心線から下流に所定の軸方向距離に、および最終段動翼の出口から下流の外部径方向壁上の蒸気渦を低減するように選択された所定の深さに、配置される、設けることと、を含む。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および優位性は、以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むことでより良好に理解される。なお図面の全体に渡って同様の文字は同様の部品を表わす。

長さＬのタービン動翼から排気を受け取るディフューザを例示する図である。 最終段動翼上のシュラウドによって形成される渦を表わす図である。 先端シュラウドを伴う動翼を有する最終段から排気経路内に下流の本発明のディフューザの実施形態の断面側面図を例示する図である。 蒸気ガイドの内壁に対する本発明の形状の拡大図である。 本発明のディフューザ配置を有する排気流経路を備える蒸気タービンの一部の斜視部分切り欠き図を例示する図である。 特定の有効長の動翼に対する凹部の軸方向中心部に対する場所の好ましい範囲を例示する図である。 先端シュラウドの下面と内部タービン・ケーシングの下面との間の特定の高さの動翼に対する蒸気ガイドの内壁の凹部の中心に対する範囲の好ましい深さを例示する図である。 本発明による外部蒸気ガイドの内壁上の内向き径方向凹部の種々の形状を例示する図である。 凝縮蒸気タービンのディフューザ内での蒸気の渦を低減する方法に対するフロー・チャートを例示する図である。

以下の本発明の実施形態には多くの優位性がある。たとえば、凝縮蒸気タービン内の最終段動翼の先端シュラウドから下流のディフューザ内での蒸気の渦を減らすことによって、拡散面積を増加させて、より効果的な回収およびタービン性能の向上を図るものである。積極的な蒸気ガイドにおけるディフューザ軸長が短くなっても、圧力回収の増加が実現される場合がある。本発明によって、非常に効果的な流れ拡散が実現されて、タービンに対する背圧が低下するために、熱力学サイクルの同じ温度リザーバに対するタービンの全体的な圧力比を増加させることができる。この結果、同じサイクル条件に対して送出出力が大きくなるかまたは同じ送出出力において効率が高くなる（すなわち、燃料入力が減る）いずれかの可能性が得られる。

シュラウド厚さが非常に大きいと、著しい妨害が生じて、外部蒸気ガイドの壁に渦が生じるため、蒸気流が蒸気ガイドの壁から分離してしまう。渦は、ゆっくりと移動する流体であるが、前に進むにつれて占有する面積が大きくなる。渦が形成されると、残りの流体が拡散するための有効流路面積が小さくなり、回収が不十分になる。

この渦を減らすかまたはなくすメカニズムを提供することは望ましいであろう。本発明によって、外部蒸気ガイドの壁に内向き径方向凹部が提供され、先端漏れ流れを用いることによって渦強さが低減される。こうして、ディフューザに対する面積比について妥協することなく圧力回収の増加が実現される。

図３に、先端シュラウド３１１を有する最終段動翼３１０から排気経路３０１内に下流の本発明のディフューザ３００の実施形態の断面側面図を例示する。ディフューザは、入口面積３１５と出口面積３１６とを有する。外部蒸気ガイドの内壁３２０を、従来の上向き凹曲面３２１と本発明の内向き径方向凹部３２２とともに示す。図４に、最終段動翼から下流にある外部蒸気ガイドの内壁３２０の拡大図３３０を例示する。深さが約３００ミルの内向き径方向凹部３４０が、最終段動翼３１０の軸方向中心部から約３インチの距離３５０に配置されている。寸法は典型的であるが、限定されてはいない。内向き径方向凹部３４０は、先端漏れ流れの向きをわずかに下方に変えるものであり、シュラウドの妨害効果を小さくするものである。このような偏向は、主流れが蒸気ガイドに再結合することを助けるものであり、その結果、ディフューザがより効果的なものになる。

ディフューザの蒸気ガイド上の従来の内壁の場合、動翼の先端シュラウドによって、下流の蒸気流が分離してしまう。動翼からの主流れストリームは先端シュラウドの下方を流れ、先端シュラウド上方の分離した漏れ流れ経路は蒸気ガイドの壁に沿って進む。さらに下流にいくと、ゆっくりと移動する蒸気の大きな渦が生じる。蒸気ガイドの内壁上に内向き径方向凹部を有する本発明のディフューザの場合、内壁に沿って生じる流れと主流れとが再結合する。本発明のディフューザ内の流渦は、従来のディフューザ内の下流渦よりも著しく小さい。ディフューザ内の渦が小さくなることは、蒸気ガイド上の内向き径方向凹部壁によってもたらされ、ディフューザ性能の向上につながる。

図５に、外部蒸気ガイドの内壁上に内向き径方向凹部を備える本発明のディフューザを有する蒸気タービンを例示する。蒸気タービン（広く４１０と指定される）は、複数のタービン動翼４１４を搭載するロータ４１２を備えている。また複数の静翼４１８を搭載する内部ケーシング４１６も例示する。中心に配置された概ね径方向の蒸気入口４２０から、蒸気が、タービンの対向する軸方向側面上のタービン動翼４１４とステータ・ブレード４１８とに加えられて、ロータ４１２が駆動される。静翼ブレード４１８と軸方向に隣接するタービン動翼４１４とによって、蒸気流路を形成する複数のタービン段が形成され、当然のことながら、蒸気は蒸気タービンの最終段動翼４１９から、凝縮器（図示せず）への出口４２６に流れ込むように排出される。

また外部の排気フード４３０も例示する。排気フード４３０は、タービンの内部ケーシング４１６とともに他の部品たとえばベアリングを囲んで支持する。タービンは、タービンから出口４２６内に排気される蒸気を１または複数の凝縮器に流すようにガイドするための外部蒸気ガイド４２３、４２４を備える。複数の支持構造を排気フード４３０内に設けて、排気フードを補強し、蒸気排気流のガイドを助けても良い。典型的な支持構造４３５が、蒸気タービン４１０から蒸気排気流４４０を受け取って送るように置かれている。

蒸気タービン４１０の最終段動翼４１９によって、蒸気排気流４４０が排気フード４３０内に放出される。排気フード４３０は、上部フード４３１と下部フード４３２とを備えていても良い。排気フード４３０から下方に放出されて、出口４２６に、その下方の凝縮器（図示せず）に向かう。最終段動翼４１９から出た排気４３０は、外部蒸気ガイド４２３、４２４と内部蒸気ガイド４２７との間を流れる。軸受コーン４２８または別個の構造体が、内部蒸気ガイド４２７を形成していても良い。蒸気ガイド４２３、４２４は一緒に、ロータ４１２の周りに同心円を形成しても良い。排気経路の上部部分における蒸気ガイド４２３を、排気経路の下半分における蒸気ガイド４２４とは別の方法で成形、配向、およびサイズ取りして、それらの対応する排気経路を凝縮器（図示せず）に効率的に適応させても良い。

外部蒸気ガイド４２３、４２４は、蒸気ガイド壁４８０に沿って所定の軸方向距離４５０において内向き径方向凹部４２５を備えていても良い。軸方向距離４５０は、最終段動翼の中心線４５５から測定しても良い。これについては、後により詳しく説明する。しかし他の参照点を用いて、測定を相応に調整しても良い。内向き径方向凹部４２５は、ロータ４１２の周りに同心円を形成しても良い。

本発明によれば、ほとんどの内向き径方向の凹部の突出部に対する場所は、最終段動翼から所定の軸方向下流の距離になければならない。凹部の中心に対するこの所定の下流距離は、最終段動翼の長さの関数として表現しても良い。最終段動翼の中心からの最小軸方向位置は、約０．０８＊Ｌ_lsbであっても良い。Ｌ_lsbは最終段動翼の有効長４１９である。最終段動翼４１９の中心からの最大軸方向位置は、約０．１６＊Ｌ_lsbであっても良い。

図６に、下流渦を低減してディフューザ性能を向上させるために最終段動翼から下流の蒸気ガイドの内壁上に設けられた内向き径方向凹部の軸方向中心部に対する場所の範囲を例示する。この例の場合、最終段動翼４１９は３３．５インチ有効長である。蒸気ガイド壁４６２、４６７は、４６９から軸方向に始まる。最終段動翼４１９は、先端シュラウド４１１上に配置された１または複数の歯４１３を備えて、これによって、蒸気タービンの内部ケーシング４１６（図５）の内壁４１５との間に漏れ隙間４１７を形成しても良い。蒸気ガイド壁４６２上の内向き径方向凹部４６１までの最小軸方向距離４６０は、約０．０８＊３３．５＝２．６８インチと決定しても良い。蒸気ガイド壁４６７上の内向き径方向凹部４６６までの最大軸方向距離４６５は、約０．１６＊３３．５＝５．３６インチと計算しても良い。

さらに本発明によれば、最終段動翼のシュラウドの最上部突出部の径方向高さに対する内向き径方向凹部の深さを、所定の値に設定しても良い。凹部に対する所定の値を、先端シュラウドの下面とタービンの内部ケーシングの下面との間の距離の長さの関数として表現しても良い。凹部の最小深さは０．２＊Ｈであっても良い。Ｈは、先端シュラウドの下面とタービンの内部ケーシングの下面との間の距離である。凹部の最大深さは０．６＊Ｈであっても良い。

図７に、下流渦を低減してディフューザ性能を向上させるための外部蒸気ガイドの内壁の内向き径方向凹部に対する深さの好ましい範囲を例示する。この例の場合、最終段動翼は、先端シュラウド４１１の下面４２９と内部タービン・ケーシング４１６の内壁４１５との間の距離Ｈとして約１．２７８インチを備えている。先端シュラウド４１１は、１または複数の歯４１３を備えて、蒸気タービン（図５）の内部ケーシングの内壁４１５との間に漏れ隙間４１７を設定している。内向き径方向凹部４６１の深さ４６３に対する最小値を、蒸気ガイド壁４６２上で約０．２＊Ｈまたは０．２＊１．２７８インチ＝０．２５５６インチと計算しても良い。蒸気ガイド壁４６７上の内向き径方向凹部４６６の深さ４６８に対する最大値を、約０．６＊Ｈまたは０．６＊１．２７８インチ＝０．７６６８インチと計算しても良い。

図８に、本発明により最終段動翼から下流の外部蒸気ガイドの内壁上に内向き径方向凹部を形成するときに用いても良い種々の形状を例示する。第１の実施形態５００においては、内部のタービン・ケーシング４１６の内壁４１５の下面４２１は、滑らかな径方向外向き凹面を備えていても良い。内向き径方向凹部５０５は、表面に対する径方向の極小を形成している。さらなる実施形態５１０においては、内壁４１５のまっすぐな縁部下面４２２を、内向き径方向凹部５２５から上流では収縮円錐部分５１５として形成し、内向き径方向凹部５２５から下流では伸張円錐部分５２０として形成して、２つの円錐部分が内向き径方向凹部５２５の径方向直径において結合するようにしても良い。伸張円錐部分５２０および収縮円錐部分５１５は、内壁と、対応する上流および下流端において合併しても良い。しかし当然のことながら、内壁４１５の下面４２１、４２２の形状は、内向き径方向凹部が軸方向および半径方向に適切に配置されるならば、種々の形状を想定しても良い。

本発明のさらなる態様により、凝縮蒸気タービンにおける最終段動翼の先端シュラウドから下流のディフューザ内での蒸気の渦を低減するための方法が提供される。本方法には、先端シュラウドを有する最終段動翼の出口環において外部蒸気ガイドを配置することが含まれる。本方法にはさらに、外部蒸気ガイドの内壁上に内向き径方向凹部を形成することが含まれる。内向き径方向凹部は、最終段動翼の中心線から下流に所定の軸方向距離において所定の深さで配置され、軸方向距離および深さは、外部蒸気ガイドの外壁に沿って生じる渦形成を低減することに適合されている。最終段動翼の中心線からの内向き径方向凹部の所定の軸方向距離は、０．０８＊Ｌ_lsb〜０．１６＊Ｌ_lsbの範囲を備える。Ｌ_lsbは最終段動翼の有効長である。内向き径方向凹部の所定の深さには、０．２＊Ｈ〜０．６＊Ｈの範囲が含まれる。Ｈは、最終段動翼の先端シュラウドの最下部と蒸気タービンの内部ケーシングの下面との間の距離であり、所定の深さは、蒸気ガイドの入口における内壁の径方向高さに対するものである。図９に、凝縮蒸気タービンのディフューザ内での蒸気の渦を低減する方法に対するフロー・チャートを例示する。ステップ６００には、先端シュラウドを有する最終段動翼の出口環に外部蒸気ガイドを配置することが含まれる。ステップ６１０には、外部蒸気ガイドの内壁上に内向き径方向凹部を形成することが含まれる。内向き径方向凹部は、最終段動翼の中心線から下流に所定の軸方向距離に所定の深さで配置され、軸方向距離および深さは、外部蒸気ガイドの外壁に沿って生じる渦形成を低減することに適合されている。ステップ６２０では、最終段動翼の中心線からの内向き径方向凹部の所定の軸方向距離として、０．０８＊Ｌ_lsb〜０．１６＊Ｌ_lsbの範囲を設定する。Ｌ_lsbは、最終段動翼の有効長である。ステップ６３０では、内向き径方向凹部の所定の深さとして０．２＊Ｈ〜０．６＊Ｈの範囲を含む深さを設定する。Ｈは、最終段動翼の先端シュラウドの最下部と蒸気タービンの内部ケーシングの下面との間の距離であり、所定の深さは、蒸気ガイドの入口における内壁の径方向高さに対するものである。

前述では、凹部を囲む壁の形状の複数の実施形態について説明してきたが、当然のことながら、他の形状も本発明の範囲に含めても良い。さらに、種々の実施形態について本明細書で説明しているが、明細書から分かるように、本明細書における要素、変形、または改善の種々の組み合わせを行なっても良く、これらは本発明の範囲内である。

Claims (10)

1. 複数の最終段動翼（４１９）を備える内部ケーシング（４１６）と、
   前記複数の最終段動翼（４１９）上の先端シュラウド（４１１）と、
   前記内部ケーシング（４１６）を囲む排気フード（４３０）と、
   前記排気フード（４３０）内の前記複数の最終段動翼（４１９）の出口に蒸気外部ガイド（４２３）と内部蒸気ガイド（４２４）とを備える軸径方向ディフューザ（３００）と、を備え、
   前記蒸気ガイド（４２３，４２４）の内壁（４１６）は、前記複数の最終段動翼（４１９）の前記出口から下流にある前記蒸気ガイド（４２３，４２４）の内壁（４８０）上の蒸気（７５）の渦の低減に適合された内向き径方向凹部（４２５）を備える低圧蒸気タービン（４１０）。
2. 前記蒸気ガイド（４２３，４２４）上の前記内向き径方向凹部（４２５）は、前記複数の最終段動翼（４１９）に対する軸方向（３５０）に所定の深さの凹部（３４０）を備える請求項１に記載の低圧蒸気タービン（４１０）。
3. 前記蒸気ガイド（４２３，４２４）上の前記内向き径方向凹部（４２５）は、前記複数の最終段動翼（４１９）の中心（４５５）から軸方向下流に０．０８＊Ｌ_lsbの最小距離（４６０）に配置され、Ｌ_lsbは前記複数の最終段動翼（４１９）の有効長Ｌを表わす請求項２に記載の低圧蒸気タービン（４１０）。
4. 前記蒸気ガイド（４２３，４２４）上の前記内向き径方向凹部（４２５）は、前記複数の最終段動翼（４１９）の中心（４５５）から軸方向下流に０．１６＊Ｌ_lsbの最大距離（４６５）に配置され、Ｌ_lsbは、前記複数の最終段動翼（４１９）の有効長Ｌを表わす請求項２に記載の低圧蒸気タービン（４１０）。
5. 前記蒸気ガイド（４２３，４２４）上の前記内向き径方向凹部（４２５）は０．２＊Ｈの最小深さを備え、Ｈは、前記先端シュラウド（４１１）の下面（４２９）から内部ケーシング下面（４１５）までの距離を表わす請求項４に記載の低圧蒸気タービン（４１０）。
6. 前記蒸気ガイド（４２３，４２４）上の前記径方向凹部（４２５）は０．６＊Ｈの最大深さを備え、Ｈは、前記先端シュラウド（４１１）の下面（４２９）から内部ケーシング下面（４１５）までの距離を表わす請求項１に記載の低圧蒸気タービン（４１０）。
7. 前記ディフューザ（３００）に対するディフューザ比は、１．２〜２．０の範囲にある請求項１に記載の低圧蒸気タービン（４１０）。
8. 前記ディフューザ（３００）に対するディフューザ比として１．２〜２．０の範囲を備え、
   前記内向き径方向凹部（４２５）は、前記複数の最終段動翼（４１９）の出口から軸方向下流への０．０８＊Ｌ_lsbの最小距離（４６０）と、前記最終段動翼（４１９）の前記出口から軸方向下流への０．０８＊Ｌ_lsbの最大距離（４６５）との間に配置され、Ｌ_lsb前記複数の最終段動翼（４１９）の有効長Ｌを表わし、
   前記径方向凹部（４２５）は、０．２＊Ｈの最小深さと０．６＊Ｈの最大深さとを備え、Ｈは、前記先端シュラウド（４１１）の下面（４２９）から内部ケーシング下面（４１５）までの距離を表わす請求項１に記載の軸径方向ディフューザ。
9. 前記蒸気ガイド（４２３，４２４）の前記下面（４２１）内壁は、径方向外向き凹平滑面として形成される請求項８に記載の軸径方向ディフューザ（３００）。
10. 前記蒸気ガイド（４２３，４２４）の前記内壁は、径方向外向きの区分的に直線の外向き凹面を形成する請求項８に記載の軸径方向ディフューザ（３００）。