JP2012082826A - タービンバケットシュラウドテール - Google Patents

Abstract

【課題】本出願は、軸流タービン（１００）を提供する。
【解決手段】本軸流タービン（１００）は、ステータケーシング（２１０）と、ステータケーシング（２１０）の近くに位置するタービンバケット（１１０）とを含むことができる。先端シュラウド（１３０）は、タービンバケット（１１０）上に配置することができる。シュラウドテール（１５０）は、先端シュラウド（１３０）の下流端（１６０）で該先端シュラウド（１３０）に取付けることができる。
【選択図】 図３

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、低圧蒸気タービン又はその他のタイプの軸流タービンで使用して、半径方向流れ角度を増大させかつシュラウド伴流損失を制限して全体タービン効率を向上させるようになったシュラウドテールを有するタービンバケットに関する。

蒸気タービン内における蒸気流路は一般的に、固定ケーシング及びロータによって形成される。幾つかの固定ベーンをケーシングに円周方向アレイとして取付けかつ内向きに蒸気流路内に延在するようにすることができる。同様に、幾つかの回転ブレード又はバケットをロータに円周方向アレイとして取付けかつ外向きに蒸気流路内に延在するようにすることができる。固定ベーン及び回転バケットは、交互列として配置して、固定ベーン及び直ぐ下流の回転バケットの列がタービン段を形成するようにすることができる。固定ベーンは、
蒸気の流れを該蒸気の流れが効率的な角度で下流の回転バケットの列に流入するように導く働きをする。各回転バケットの翼形部は、蒸気の流れからエネルギーを取出して、ロータ及び該ロータに取付けられた負荷を駆動するのに必要な出力を発生するようになる。

蒸気の流れが蒸気タービンを通って流れると、各後続段により、所望の吐出圧力が得られるまで圧力が降下する。従って、温度、圧力、速度、水分含有量などのような蒸気の流れの特性は、該蒸気の流れが流路を通って膨張するにつれて、段毎に変化する可能性がある。従って、各バケットの列は、その列に関連する蒸気条件に最適である翼形部形状を有することができる。蒸気タービンのその他の構成もまた、公知であると言える。

蒸気タービンの性能が低い蒸気圧力で作動する後段バケットの設計及び性能によって大きな影響を受ける可能性があることは、一般的に知られている。理想的には、最終段バケットは、所望のタービン排出圧力まで低下した蒸気の流れの膨張を有効に使用すると同時に、この最終段から流出する蒸気の流れの運動エネルギーが最小になるようにしなければならない。従って、後段バケットにおける効率を改善することにより、蒸気タービンの全体効率を向上させなければならない。

米国特許出願公開第２０１０／００９２２９５号明細書

従って、蒸気タービン設計の改良、特に低圧蒸気タービンなどの最終段又は後段のバケットについての関連する性能の向上に対する要望が存在する。そのような改良型のタービンバケット設計は、それを通って流れる蒸気の流れに悪影響を与える流れ剥離、伴流損失、及びその他のタイプの流路不安定性を制限しながら、全体蒸気タービン効率及び性能を向上させるものでなければならない。そのような改良はまた、ガスタービンを含むあらゆるタイプの軸流タービンに適用可能とすることができる。

従って、本出願は、軸流タービンを提供する。本軸流タービンは、ステータケーシングと、ステータケーシングの近くに位置するタービンバケットとを含むことができる。先端シュラウドは、タービンバケット上に配置することができる。シュラウドテールは、先端シュラウドの下流端で該先端シュラウドに取付けることができる。

本出願はさらに、軸流タービンを作動させる方法を提供する。本方法は、ステータケーシングの下流部分の角度を水平線から約５０°以上離れるように増大させるステップと、ステータケーシング内でバケットを回転させて、該バケット及びステータケーシング間に蒸気又はその他の燃焼ガスの流れを発生させるステップとを含むことができる。バケットの先端シュラウドは、その下流端にシュラウドテールを含むことができる。本方法はさらに、シュラウドテールによって、半径方向流れ角度を増大させかつその中における伴流損失及びその他の不安定性を減少させて効率を向上させるようにステータケーシングに向けて蒸気又はその他の燃焼ガスの流れを導くステップを含むことができる。

本出願はさらに、その中に蒸気又はその他の燃焼ガスの流れを有するタービンを提供する。本タービンは、タービンバケットと、タービンバケットに配置された先端シュラウドと、先端シュラウドの下流端で該先端シュラウドに取付けられたシュラウドテールと、タービンバケットの下流に配置されたディフューザとを含むことができる。シュラウドテールは、蒸気又はその他の燃焼ガスの流れをディフューザの周りに導いて、効率を向上させるようにする。

本出願のこれらの及びその他の特徴及び改良は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させてなした以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。

その中における幾つかの段を示す、公知の蒸気タービンの一部分の斜視図。 その上にシュラウドを有しかつステータケーシングの近くに位置するロータバケットを備えた公知の蒸気タービンの一部分の側面図。 シュラウドテールを備えた先端シュラウドを有しかつステータケーシングの近くに位置するロータバケットを備えた、本明細書に記載することができるような蒸気タービンの一部分の側面図。 シュラウドテールを備えた先端シュラウドを有するロータバケットの別の実施形態の側面図。 シュラウドテールを備えた先端シュラウドを有するロータバケットのさらに別の実施形態の側面図。 シュラウドテールを備えた先端シュラウドを有するロータバケットのさらに別の実施形態の側面図。 シュラウドテールを備えた先端シュラウドを有するロータバケットのさらに別の実施形態の側面図。 シュラウドテールを備えた先端シュラウドを有しかつ半径方向ディフューザの近くに位置するロータバケットの側面図。 シュラウドテールを備えた先端シュラウドを有しかつ半径方向ディフューザの近くに位置するロータバケットの側面図。

次に、幾つかの図全体にわたって同じ参照符号が同様な要素を表している図面を参照すると、図１は、蒸気タービン１０のような公知の軸流タービンの部分斜視図を示している。蒸気タービン１０は、低圧タービン２５の一部としてシャフト２０を備えたロータ１５を含むことができる。低圧タービン２５は、幾つかの軸方向に間隔を置いて配置されたロータホイール３０を含むことができる。幾つかのロータバケット３５は、各ロータホイール３０に機械的に結合することができる。より具体的には、ロータバケット３５は、各ロータホイール３０の周りで円周方向に延在する列として配置することができる。幾つかの固定ノズル４０は、シャフト２０の周りで円周方向に延在することができかつ隣り合うロータバケット３５の列間で軸方向に配置することができる。ノズル４０は、ロータバケット３５と協働して、タービン段を形成しかつ蒸気タービン１０を通る蒸気流路の一部分を形成することができる。本明細書では、その他の構成も使用することができる。

作動中に、蒸気の流れ４５は、蒸気タービン１０の入口５０に流入しかつノズル４０を通して送ることができる。ノズル４０は、蒸気の流れ４５を下流方向に回転バケット３５対して導く。蒸気の流れ４５は、後続段の各々を通って流れかつバケット３５上にロータ１５を回転させるような外力を与える。実施例としてのみの目的であるが、低圧タービン２５は、５つの段を有するのを見ることができる。５つの段は、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４と呼ぶことができる。Ｌ４段は、第１段でありかつ最小（半径方向に）のものとすることができる。Ｌ３段は、第２段でありかつ軸方向に隣の段である。Ｌ２段は、第３段でありかつ５つの段の中央に図示している。Ｌ１段は、第４段でありかつ最終段の隣のものである。Ｌ０段は、最終段でありかつ最大（半径方向に）のものである。本明細書では、あらゆる数の段を使用することができる。

図２は、バケット３５の１つの実施例を示している。この実施例では、バケット３５は、翼形部５５を有することができる。翼形部５５は、先端シュラウド６０で終端することができる。先端シュラウド６０は、その上に配置された１以上のシュラウド歯６５を含むことができる。バケット３５は、ノズル４０の１つの周りでケーシング７０の周りに配置することができる。ステータケーシング７０は、その上に配置された１以上のステータ歯７５を含むことができる。バケット３５の先端シュラウド６０及びステータケーシング７０は、蒸気の流れ４５がそれを通って流れる通路８０を形成することができる。図から分かるように、先端シュラウド６０は、その下流端に比較的ブラントな（尖っていない）端部８５を有することができる。バケット３５及びステータケーシング７０のその他の構成も公知であると言える。

バケット３５の長さ又は翼長を減少させることを欲する場合には、ステータケーシング７０の下流部分９０の角度を増大させることができる。しかしながら、この角度の増大により、蒸気の流れ４５が、下流部分９０の周りで及び先端シュラウド６０の周りでステータケーシング７０から剥離することになる可能性がある。具体的には、ステータケーシング７０の下流部分９０の角度を水平線から約５０°かそこらの角度を越えるように増大させることにより、蒸気の流れ４５がステータケーシング７０から剥離することになる可能性がありまた実際にはステータ歯７５の下流にかつ先端シュラウド６０のブラント端部８５の周りに渦流９５が形成されることになる可能性がある。このような流れ剥離により、伴流不安定性並びにその中における渦流９５の増大が生じる可能性がある。従って、流れ剥離は、全体蒸気タービン１０性能及び効率に悪影響を与えるおそれがある。

図３は、本明細書に記載することができるような軸流タービン１００の一部分を示している。軸流タービン１００は、蒸気タービン、ガスタービンなどとすることができる。軸流タービン１００は、連続段内に配置された幾つかの回転バケット１１０を含むことができる。回転バケット１１０は、その上に先端シュラウド１３０を備えた翼形部１２０を含むことができる。先端シュラウド１３０は、その上に１以上のシュラウド歯１４０を含むことができる。本明細書では、タービン、バケット、シュラウド及び歯のその他の構成も使用することができる。

バケット１１０の先端シュラウド１３０はまた、その下流端１６０の近くに位置するシュラウドテール１５０を含むことができる。シュラウドテール１５０は、その形状をほぼ歯状又はウェッジ状とすることができる。シュラウドテール１５０は、先端シュラウド１３０から頂部角度１７５で延在する頂面１７０と、頂面１７０から後退又は他の角度１８５で下向きに延在する中間面１８０とを有することができる。頂面１７０及び中間面１８０は、ポイント１９０又は他のタイプの接合部で交わることができる。底面２００は、さらに別の角度２０５で先端シュラウド１３０に向けて逆方向に延在することができる。シュラウドテール１５０はまた、複数段部、湾曲部、及びあらゆるその他の所望の形状を含むことができる。従って、シュラウドテール１５０の面１８０、１９０及び２００のそれぞれの形状、長さ、角度は、変化させることができる。面１８０、１９０及び２００の各々は、必ずしも同時に使用する必要はない。同様に、付加的な面もまた、使用することができる。

シュラウドテール１５０は、最終段（Ｌ０）、最終段の隣の段（Ｌ１）、第３段（Ｌ２）又はその他の段のバケット１１０で使用することができる。異なる段、異なるバケット形状、並びに異なる作動構成に対して、シュラウドテール１５０の異なる構成を使用することができる。

Ｌ１、Ｌ２及びＬ３のような内部段で、バケット１１０は、ステータケーシング２１０の周りに配置することができる。ステータケーシング２１０は、上記の又はそれとは別のステータケーシングと同様にすることができる。ステータケーシング２１０は、その上に配置された１以上のステータ歯２２０を有することができる。バケット１１０の先端シュラウド１３０及びステータケーシング２１０は、それを通る蒸気４５又はその他のタイプの燃焼ガスの流れのための通路２３０を形成することができる。ステータケーシング２１０はまた、下流部分２４０を含むことができる。下流部分２４０は、約５０°又はそれ以上とすることができる水平線２５５からの角度２５０を有することができる。本明細書では、その他の角度及びその他のタイプのステータケーシング構成も使用することができる。

従って、シュラウドテール１５０は、先端シュラウド１３０からその頂部角度１７５でステータケーシング２１０に向けて延在する頂面１７０を有する。シュラウドテール１５０の頂部角度１７５は、ステータケーシング２１０の下流部分２４０の角度２５０と幾分か同じものとすることができ或いは幾分か同じでないものにすることができる。従って、シュラウドテール１５０は、上記した比較的ブラントな端部８５を備えたシュラウド６０に比較して、蒸気４５又はその他のタイプの燃焼ガスの流れをより大きい半径方向流れ角度２６５で上向きに導く。従って、より大きい半径方向流れ角度２６５により、蒸気４５又はその他のタイプの燃焼ガスの流れはステータケーシング２１０にほぼ付着した状態になる。従って、より大きい半径方向流れ角度２６５は、より大きい下流部分２４０角度を形成させ、それ故にそれを通る流路がより短くなりかつそこにおける伴流損失が減少する。同様に、中間面１８０の後退角度１８５及び／又は底面２００のさらに別の角度２０５もまた、先端シュラウド１３０の下流端１６０における渦流９５などの形成を回避するのを助ける。

図４〜図７は、先端シュラウド１３０及びシュラウドテール１５０の様々な実施形態を示している。例えば、図４は、本質的に平坦頂面１７０及び非常に短い中間面１８０を備えたシュラウドテール２６０を示している。シュラウド歯１４０は、上記したシュラウドテール２６０により近接させて配置することができる。同様に、図５はまた、平坦頂面１７０及び隣接するシュラウド歯１４０を備えたシュラウドテール２７０を示している。図６は、シュラウド歯１４０から延在しかつ該歯及び頂面１７０間に傾斜連結面２９０を含むシュラウドテール２８０を示している。図７は、平坦連結面３１０を備えたシュラウドテール３００を示している。本明細書では、多くのその他のシュラウドテール１５０構成を使用することができる。

図８は、最終段Ｌ０と関連した先端シュラウド１３０及びシュラウドテール１５０を備えたバケット１１０の使用を示している。最終段Ｌ０回りのステータケーシング２１０は、半径方向又は下降流れフードディフューザ３２０内に拡大することができる。シュラウドテール１５０を介してより大きい半径方向流れ角度２６５を与えることによって、半径方向ディフューザ３２０は、より積極的な蒸気ガイド３３０を備えることができる。さらに、半径方向ディフューザ３２０自体は、それを通る蒸気４５又はその他のタイプの燃焼ガスの流れに対してより大きい半径方向流れ角度２６５を与えた場合にはより短くすることができる。図９は、この図が軸方向ディフューザ３４０と関連した先端シュラウド１３０及びシュラウドテール１５０を備えたバケット１１０を示している点で同様である。一般的な軸方向ディフューザ３４０は、バケット１１０から出てくる半径方向流れ角度２６５を既に利用したものとすることができる。シュラウドテール１５０の使用は、半径方向流れ角度２６５をさらに一層増大させて性能を改善しかつディフューザ３４０をより短くすることができる。本明細書では、その他の構成も使用することができる。

従って、シュラウドテール１５０を介して、ステータケーシング２１０に対して蒸気の流れ４５を付着させることによって、蒸気の渦流９５及び／又はその他のタイプの伴流損失を減少させるか又は排除することができる。これらの渦流９５の排除及び全体シュラウド伴流損失の全体的改善は、軸流タービン１００の全体効率及び性能を向上させることができる。さらに、本明細書では次に、最終段Ｌ０でディフューザ３２０の周りで積極的蒸気ガイド３３０を使用することができる。今や、ディフューザ３２０、３４０もまた、より短くすることができる。従って、シュラウドテール１５０は、主として流れエナジャイザとして作用する。従って、蒸気４５又はその他のタイプの燃焼ガスの流れ或いはその流れのより多くの部分は、より大きい半径方向流れ角度２６５を与えた場合におけるそれを通る短縮した流れ通路でもステータケーシング２１０に対して付着した状態を維持する。

上記の説明は本出願の一部の実施形態のみに関するものであること並びに本明細書において当業者は特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに多くの変更及び修正を加えることができることを理解されたい。

１０ 蒸気タービン
１５ ロータ
２０ シャフト
２５ 低圧タービン
３０ ホイール
３５ バケット
４０ ノズル
４５ 蒸気の流れ
５０ 入口
５５ 翼形部
６０ シュラウド
６５ 歯
７０ ケーシング
７５ 歯
８０ 通路
８５ ブラント端部
９０ 下流部分
９５ 渦流
１００ 軸流タービン
１１０ バケット
１２０ 翼形部
１３０ シュラウド
１４０ 歯
１５０ シュラウドテール
１６０ 下流端
１７０ 頂面
１７５ 頂部角度
１８０ 中間面
１８５ 後退角度
１９０ ポイント
２００ 底面
２０５ さらに別の角度
２１０ ステータケーシング
２２０ 歯
２３０ 通路
２４０ 下流部分
２５０ 角度
２５５ 水平線
２６０ シュラウドテール
２６５ 軸流角度
２７０ シュラウドテール
２８０ シュラウドテール
２９０ 傾斜連結面
３００ シュラウドテール
３１０ 平坦連結面
３２０ 半径方向ディフューザ
３３０ 蒸気ガイド
３４０ 軸方向ディフューザ

Claims (15)

1. 軸流タービン（１００）であって、
   ステータケーシング（２１０）と、
   前記ステータケーシング（２１０）の近くに位置するタービンバケット（１１０）と、
   前記タービンバケット（１１０）に配置された先端シュラウド（１３０）と、
   前記先端シュラウド（１３０）の下流端（１６０）で該先端シュラウド（１３０）に取付けられたシュラウドテール（１５０）と
   を備える軸流タービン（１００）。
2. 前記先端シュラウド（１３０）が１以上の先端シュラウド歯（１４０）を含み、前記ステータケーシング（２１０）が１以上のケーシング歯（２２０）を含む、請求項１記載の軸流タービン（１００）。
3. 前記ステータケーシング（２１０）が下流部分（２４０）を含む、請求項１記載の軸流タービン（１００）。
4. 前記ステータケーシング（２１０）の下流部分（２４０）が、水平線から約５０°以上離れた角度（２５０）を含む、請求項３記載の軸流タービン（１００）。
5. 前記シュラウドテール（１５０）が、前記先端シュラウド（１３０）からある角度（１７５）で延在する頂面（１７０）を含む、請求項１記載の軸流タービン（１００）。
6. 前記シュラウドテール（１５０）が、前記頂面（１７０）に隣接する中間面（１８０）を含む、請求項５記載の軸流タービン（１００）。
7. 前記頂面（１７０）と中間面（１８０）がポイント（１９０）で交わる、請求項６記載の軸流タービン（１００）。
8. 前記シュラウドテール（１５０）が、前記先端シュラウド（１３０）に向かってある角度（２０５）で延在する底面（２００）を含む、請求項１記載の軸流タービン（１００）。
9. 前記先端シュラウド（１３０）及びステータケーシング（２１０）間を流れる蒸気又はその他の燃焼ガスの流れ（４５）をさらに含み、前記シュラウドテール（１５０）が、前記ステータケーシング（２１０）の周りで前記蒸気又はその他の燃焼ガスの流れ（４５）を導く、請求項１記載の軸流タービン（１００）。
10. 前記タービンバケット（１１０）が該軸流タービン（１００）の後段（Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２）内に配置される、請求項１記載の軸流タービン（１００）。
11. 前記ステータケーシング（２１０）が前記タービンバケット（１１０）の下流に配置された半径方向ディフューザ（３２０）内に延在する、請求項１記載の軸流タービン（１００）。
12. 前記ステータケーシング（２１０）が前記タービンバケット（１１０）の下流に配置された軸方向ディフューザ（３４０）内に延在する、請求項１記載の軸流タービン（１００）。
13. 軸流タービン（１００）を作動させる方法であって、
    ステータケーシング（２１０）の下流部分（２４０）の角度（２５０）を水平線から約５０°以上離れるように増大させるステップと、
    前記ステータケーシング（２１０）内でバケット（１１０）を回転させて、該バケット（１１０）及びステータケーシング（２１０）間に蒸気又はその他の燃焼ガスの流れ（４５）を発生させるステップと、
    前記バケット（１１０）の先端シュラウド（１３０）がその下流端（１６０）上にシュラウドテール（１５０）を含む場合には、該シュラウドテール（１５０）によって、半径方向流れ角度（２６５）を増大させかつその中における伴流損失を減少させるように前記ステータケーシング（２１０）に向けて前記蒸気又はその他の燃焼ガスの流れ（４５）を導くステップと
    を含む方法。
14. 前記蒸気又はその他の燃焼ガスの流れ（４５）を導くステップが、該蒸気又はその他の燃焼ガスの流れ（４５）を半径方向ディフューザ（３２０）に向けて導くステップを含む、請求項１３記載の方法。
15. 前記蒸気又はその他の燃焼ガスの流れ（４５）を導くステップが、該蒸気又はその他の燃焼ガスの流れ（４５）を軸方向ディフューザ（３４０）に向けて導くステップを含む、請求項１３記載の方法。