JP2011226478A - 蒸気タービンエンジンスペーサ - Google Patents

Abstract

【課題】タービンを提供する。
【解決手段】本タービン（１０）は、対向する外部及び内部表面（８２、８３）が形成された環状本体（８１）並びに外部表面から内部表面まで本体（８１）を貫通して延びるオリフィス（９０）を有するスペーサ（８０）と、前方タービン段及び後方タービン段の一連のバケット（１１０、１１１）の軸方向間でロータ（３０）の周りにスペーサ（８０）を固定しかつ該スペーサ（８０）がオリフィスを通してその中に流体が流れる環状通路（１２０）を該ロータの周りに形成するようにした組立体（１００）と、環状通路（１２０）に流体結合されて、前方タービン段及び後方タービン段の一連のバケット（１１０、１１１）間から該前方タービン段の前方の軸方向位置に流体を送給する回路（１３０）とを含む。
【選択図】 図１

Description

本明細書に開示した主題は、スペーサを備えたタービンエンジンに関する。

発電プラントでは、複合サイクル（ＣＣ）効率の増大に繋がる要因の１つは、入口蒸気温度の上昇である。つまり、約５０°Ｆほど温度を上昇させることにより、ＣＣ発電プラント効率の大幅な増大を生じさせることができる。しかしながら、研究によるとこれらの温度の上昇は、ロータ寿命に悪影響を与える可能性があることを示している。このことは、問題の温度が既に材料限界マージン内にある場合に特に当てはまる。

この問題は、より耐温度性のロータ材料を使用することによって対処されてきたが、これは費用が掛かる解決方法である。これに代えて、これ迄は、外部源から供給した比較的低温の蒸気を使用してロータの幾つかの初期段を冷却し、従ってロータ全体をより高価な材料と置換える必要性を回避した従来型の冷却方式が提案されてきた。幾つかの初期段に対してこの冷却オプションを採用し、それによってより低い耐温度性材料が耐えるのに十分なほど大幅に主蒸気温度を低下させることができる。しかしながら、この冷却オプションは、据付けるのが比較的高価であり、また設計しかつ作動させるのが複雑になる。

米国特許第７１０１１４４号明細書

本発明の１つの態様によると、タービンを提供し、本タービンは、対向する外部及び内部表面が形成された環状本体並びに外部表面から内部表面まで本体を貫通して延びるオリフィスを有するスペーサと、前方タービン段及び後方タービン段の一連のバケットの軸方向間でロータの周りにスペーサを固定しかつ該スペーサがオリフィスを通してその中に流体が流れる環状通路を該ロータの周りに形成するようにした組立体と、環状通路に流体結合されて、前方タービン段及び後方タービン段の一連のバケット間から該前方タービン段の前方の軸方向位置に流体を送給する回路とを含む。

本発明の別の態様によると、タービンエンジンを提供し、本タービンエンジンは、ケーシング内に配置されてそれを通して前方タービン段からそこで流体が比較的冷却される後方タービン段に該流体が流れる通路を形成したロータと、対向する外部及び内部表面が形成された環状本体並びに外部表面から内部表面まで本体を貫通して延びるオリフィスを有するスペーサと、前方段及び後方段の一連のバケットの軸方向間でロータの周りにペーサを固定しかつ該スペーサがオリフィスを通してその中に冷却した流体が流れる環状通路を該ロータの周りに形成するようにした組立体と、環状通路に流体結合されて、前方段及び後方段の一連のバケット間から該前方段の前方の軸方向位置に冷却した流体を送給する回路とを含む。

本発明のさらに別の態様によると、蒸気タービンエンジンを提供し、本蒸気タービンエンジンは、ケーシング内に配置されてそれを通して前方タービン段からそこで蒸気が比較的冷却される後方タービン段に該蒸気が流れる通路を形成したロータと、対向する外部及び内部表面が形成された環状本体並びに外部表面から内部表面まで本体を貫通して延びるオリフィスを有するスペーサと、前方段及び後方段の一連のバケットの軸方向間でロータの周りにペーサを固定しかつ該スペーサがオリフィスを通してその中に冷却した蒸気が流れる環状通路を該ロータの周りに形成するようにした組立体と、環状通路に流体結合されて、前方段及び後方段の一連のバケット間から該前方段の前方の軸方向位置に冷却した蒸気を送給する回路とを含む。

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。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。

タービンの概略側面断面図。

詳細な説明では、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。

図を参照すると、蒸気タービンエンジンの蒸気タービンのようなタービン１０を示している。タービン１０は、ケーシング２０と、ケーシング２０内に回転可能に配置されて、少なくとも前方タービン段５０から後方タービン段６０に延びる流体通路４０を形成したロータ３０とを含む。蒸気、加熱ガス又は幾つかのその他の流体（明瞭にかつ簡潔にするために以下では「蒸気」）が、流体通路４０に沿って流れかつタービンバケット７０との間で相互作用する。蒸気は一般的に、前方タービン段５０では比較的高温でありまた後方タービン段６０では比較的低温である。

スペーサ８０が、ケーシング２０内に固定されかつ管状及び／又はほぼ円筒形とすることができる環状本体８１を有し、また環状本体８１には、その前方及び後方端部８４及び８５間で軸方向に延びる対向する外部及び内部表面８２及び８３が形成される。環状本体８１にはさらに、外部表面８２から内部表面８３まで本体を貫通して延びる調整可能オリフィス（以下では「オリフィス」）９０が形成される。オリフィス９０は、ほぼ半径方向に配向することができかつその数を複数とすることができる。つまり、スペーサ８０は、その各々が円周方向に離散しておりかつロータの周りに円周方向に配置された複数オリフィス９０を有することができる。

組立体１００が、前方タービン段５０及び後方タービン段６０間の軸方向位置においてロータ３０の周りにスペーサ８０を固定して、オリフィス９０がタービンノズル１１２と対向した状態で該スペーサ８０が一連のタービンバケット１１０及び１１１間に配置されるようにする。スペーサ８０は、ロータ３０の周りに環状通路１２０を形成し、環状通路１２０は、内部表面８３とロータ３０の表面との間に形成される。流体通路４０に沿って後方タービン段６０に向けて流れる蒸気は、少なくとも部分的に環状通路１２０内に流れることができる。

一連のタービンバケット１１０及び１１１は、複数タービン段においてロータ３０の周りに円周方向に配置された複数の同様のタービンバケットのうちのものであり、かつ流体通路４０に沿って蒸気が流れると該ロータ３０の長手方向軸線の周りで回転するように配置されている。一連のタービンバケット１１０及び１１１は各々、その上を蒸気が流れるブレードセクション１１３と、ロータ３０の対応するダブテールセクション内に挿入可能であるファーツリー（樅木状）セクション１１４とを含むことができる。

実施形態によると、組立体１００は、スペーサの前方及び後方側面に配置されかつ一連のタービンバケット１１０及び１１１の後方及び前方側面の噛合いグルーブ１０３及び１０４内に受入れ可能である噛合いフランジ１０１及び１０２を含むことができる。噛合いフランジ１０１及び１０２は、スペーサ８０の端部８４及び８５から軸方向に延び、また噛合いグルーブ１０３及び１０４は、一連のタービンバケット１１０及び１１１の対向する側面内に形成される。幾つかのケースでは、噛合いフランジ１０１及び１０２は、両スペーサ端部８４及び８５の中間セクションから延びるようにすることができる。

回路１３０が、環状通路１２０に流体結合され、かつその中に流れる蒸気を受ける。回路１３０はさらに、前方タービン段５０及び後方タービン段６０間の軸方向位置から、冷却のために蒸気を使用する該前方タービン段５０の少なくとも前方にある軸方向位置に蒸気を送給するように構成される。回路１３０は、流路４０に沿って流れる比較的高温の蒸気から断熱した状態で、様々な径路に沿ってかつロータ３０の表面に沿った複数の特徴形状部、一般的にはスキムを通して形成することができる。環状通路１２０内に流れる蒸気の量は、所定の範囲内に維持することができる。この範囲は、後方タービン段６０の下流における作動条件を維持するのに十分な蒸気を利用可能でありかつ前方タービン段５０において所望の冷却効果を得るのに必要なもの以上ではないことを少なくとも保証するのに十分なものとすることができる。

回路１３０は、少なくともより前方の一連のバケット１１０内にかつ特にそのファーツリーセクション１１４内に形成されたガン孔１４０を通して形成することができる。ガン孔１４０は、ほぼロータ３０と一致した長手方向に配向することができる。回路１３０に沿って流れる冷却した蒸気を断熱するために、他のタービン段における付加的なスペーサを使用することができる。これらの付加的なスペーサは、それを通して回路１３０が延びることができる付加的な通路を形成する。ガン孔１４０は、円周方向に離散させることができ、かつロータ３０の周りに円周方向に配置された複数のガン孔１４０の一部とすることができる。複数のガン孔１４０の各々は、環状通路１２０及び付加的な環状通路に流体結合させることができる。

回路１３０は、例えばパッキンヘッド領域、並びに前方タービン段５０及び後方タービン段６０間の軸方向位置（つまり、スペーサ８０の周りに形成された抽出領域）の圧力よりも低い圧力を有する該前方タービン段５０の前方に配置されたあらゆる領域に対して蒸気を送給するように構成することができる。具体的には、蒸気は、タービンバケットの表面に送給することができる。いずれにしても、冷却した蒸気を使用して前方タービン段５０の前方の温度を効果的に低下させて、より高温に加熱された蒸気を過度な損傷の危険性なしに流路４０に流入させるのを可能にするようにすることができる。

本タービン１０はさらに、それを使用してオリフィス９０を選択的に閉鎖することができるスペーサプラグ１６０を含むことができる。このようにして、環状通路１２０に流入することが可能な蒸気の量は、増加させ、減少させ、最大化し或いは完全に遮断することができる。

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 タービン
２０ ケーシング
３０ ロータ
４０ 流体通路
５０ 前方タービン段
６０ 後方タービン段
７０ タービンバケット
８０ スペーサ
８１ 環状本体
８２、８３ 外部及び内部表面
８４、８５ 前方及び後方端部
９０ オリフィス
１００ 組立体
１１０、１１１ 一連のバケット
１１２ ノズル
１２０ 環状通路
１１３ ブレードセクション
１１４ ファーツリーセクション
１０１、１０２ 噛合いフランジ
１０３、１０４ 噛合いグルーブ
１３０ 回路
１４０ ガン孔
１５０ パッキンヘッド領域
１６０ スペーサプラグ

Claims (9)

1. タービン（１０）であって、
   対向する外部及び内部表面（８２、８３）が形成された環状本体（８１）並びに前記外部表面から前記内部表面まで前記本体（８１）を貫通して延びるオリフィス（９０）を有するスペーサ（８０）と、
   前方タービン段（５０）及び後方タービン段（６０）の一連のバケット（１１０、１１１）の軸方向間でロータ（３０）の周りに前記スペーサ（８０）を固定しかつ該スペーサ（８０）が前記オリフィス（９０）を通してその中に流体が流れる環状通路（１２０）を該ロータ（３０）の周りに形成するようにした組立体（１００）と、
   前記環状通路（１２０）に流体結合されて、前記前方タービン段及び後方タービン段の一連のバケット（１１０、１１１）間から該前方タービン段の前方の軸方向位置に前記流体を送給する回路（１３０）と
   を備えるタービン（１０）。
2. 前記スペーサ（８０）の環状本体（８１）が管状である、請求項１記載のタービン（１０）。
3. 前記流体が、外側環状通路を通って少なくとも前記前方段から前記後方段に流れるように導かれる蒸気を含む、請求項１記載のタービン（１０）。
4. 前記回路（１３０）が、前記一連のバケットのうちの少なくともより前方のバケット内に形成されたガン孔（１４０）を通して形成される、請求項１記載のタービン（１０）。
5. 前記ガン孔（１４０）が、前記一連のバケットのうちのより前方のバケットのファーツリーセクション（１１４）内に形成される、請求項４記載のタービン（１０）。
6. 前記回路（１３０）が、パッキンヘッド領域（１５０）に前記流体を送給するように構成される、請求項１記載のタービン（１０）。
7. 前記オリフィス（９０）を選択的に閉鎖するスペーサプラグ（１６０）をさらに含む、請求項１記載のタービン（１０）。
8. タービンエンジンであって、
   ケーシング（２０）内に配置されてそれを通して前方タービン段からそこで流体が比較的冷却される後方タービン段に該流体が流れる通路を形成したロータ（３０）と、
   対向する外部及び内部表面（８２、８３）が形成された環状本体（８１）並びに前記外部表面から前記内部表面まで前記本体（８１）を貫通して延びるオリフィス（９０）を有するスペーサ（８０）と、
   前記前方段及び後方段の一連のバケット（１１０、１１１）の軸方向間でロータ（３０）の周りに前記スペーサ（８０）を固定しかつ該スペーサ（８０）が前記オリフィス（９０）を通してその中に前記冷却した流体が流れる環状通路（１２０）を該ロータ（３０）の周りに形成するようにした組立体（１００）と、
   前記環状通路（１２０）に流体結合されて、前記前方段及び後方段の一連のバケット間から該前方段の前方の軸方向位置に前記冷却した流体を送給する回路（１３０）と
   を備えるタービンエンジン。
9. タービンエンジンであって、
   ケーシング（２０）内に配置されてそれを通して前方タービン段からそこで蒸気が比較的冷却される後方タービン段に該蒸気が流れる通路を形成したロータ（３０）と、
   対向する外部及び内部表面（８２、８３）が形成された環状本体（８１）並びに前記外部表面から前記内部表面まで前記本体（８１）を貫通して延びるオリフィス（９０）を有するスペーサ（８０）と、
   前記前方段及び後方段の一連のバケット（１１０、１１１）の軸方向間でロータ（３０）の周りに前記スペーサ（８０）を固定しかつ該スペーサ（８０）が前記オリフィス（９０）を通してその中に前記冷却した蒸気が流れる環状通路（１２０）を該ロータ（３０）の周りに形成するようにした組立体（１００）と、
   前記環状通路（１２０）に流体結合されて、前記前方段及び後方段の一連のバケット間から該前方段の前方の軸方向位置に前記冷却した蒸気を送給する回路（１３０）と
   を備えるタービンエンジン。