JP2012082831A - フラッシュ開口を有する蒸気タービンノズル組立体 - Google Patents

フラッシュ開口を有する蒸気タービンノズル組立体 Download PDF

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Abstract

【課題】フラッシュ開口を有する蒸気タービンノズル組立体を開示する。
【解決手段】一実施形態では、本蒸気タービンノズル組立体は、ダイアフラム組立体10を含み、ダイアフラム組立体10は、内側ダイアフラムリングセグメント12と、外側ダイアフラムリングセグメント14と、内側ダイアフラムリングセグメント12と外側ダイアフラムリングセグメント14の間に位置する静止ノズルブレード16と、静止ノズルブレード16と内側ダイアフラムリングセグメント12又は外側ダイアフラムリングセグメントの一方との間の第1の空洞22とを含み、内側ダイアフラムリングセグメント12又は外側ダイアフラムリングセグメント14の一方は、第1の空洞22と流体接続した第1の開口28を含む。
【選択図】図1

Description

本明細書に開示した主題は、蒸気タービンノズル組立体又はダイアフラム段に関する。具体的には、本明細書に開示した主題は、ノズル組立体内の空洞を洗い流すための1以上のフラッシュ孔(開口)を備えた蒸気タービンノズル組立体に関する。
蒸気タービンは、回転ロータに連結されたタービンバケットに作動流体の流れを導く静止ノズル(又は「翼形部」)セグメントを含む。ノズルセグメントの完全組立体は一般に、蒸気タービンのダイアフラム段又はノズル組立体と呼ばれる。伝統的なノズル組立体設計は、バンド−リング構造を使用するが、一方、幾つかの最新式の手法は、リングに接合された一体形側壁を有するノズルセグメントを含む。伝統的又は最新式手法のいずれにおいても、バンドとリングの間又はノズル側壁とリングの間に空洞を存在させることができる。これらの空洞は、タービンの運転中に汚染されて、ライフサイクル及び/又は非効率問題を引き起こす可能性がある。加えて、例えば原子炉蒸気タービンユニットのような蒸気タービンの運転後に(及び改修及び/又は廃止する前に)空洞から汚染物質を除去することは困難となる可能性がある。
米国特許第7427187号明細書
フラッシュ開口を有する蒸気タービンノズル組立体を開示する。一実施形態では、本蒸気タービンノズル組立体は、内側ダイアフラムリングセグメントと、外側ダイアフラムリングセグメントと、内側ダイアフラムリングセグメントと外側ダイアフラムリングセグメントの間に位置する静止ノズルブレードと、静止ノズルブレードと内側ダイアフラムリングセグメント又は外側ダイアフラムリングセグメントの一方との間の第1の空洞とを含み、内側ダイアフラムリングセグメント又は外側ダイアフラムリングセグメントの一方は、第1の空洞と流体接続した第1の開口を含む。
本発明の第1の態様は、蒸気タービンダイアフラム組立体を含み、本蒸気タービンダイアフラム組立体は、内側ダイアフラムリングセグメントと、外側ダイアフラムリングセグメントと、内側ダイアフラムリングセグメントと外側ダイアフラムリングセグメントの間に位置する静止ノズルブレードと、静止ノズルブレードと内側ダイアフラムリングセグメント又は外側ダイアフラムリングセグメントの一方との間の第1の空洞とを含み、内側ダイアフラムリングセグメント又は外側ダイアフラムリングセグメントの一方は、第1の空洞と流体接続した第1の開口を含む。
本発明の第2の態様は、蒸気タービンダイアフラム組立体を含み、本蒸気タービンダイアフラム組立体は、内側ダイアフラムリングと、外側ダイアフラムリングと、内側ダイアフラムリングと外側ダイアフラムリングとの間に位置する静止ノズルブレードのアニュラスと、静止ノズルブレードのアニュラスと内側ダイアフラムリングとの間の内側空洞と、静止ノズルブレードのアニュラスと外側ダイアフラムリングとの間の外側空洞とを含み、内側ダイアフラムリングは、内側空洞と流体接続した第1の開口を含んでいて、外側ダイアフラムリングは、外側空洞と流体接続した第2の開口を含んでいる。
本発明の第3の態様は、蒸気タービンダイアフラムセグメントを含み、本蒸気タービンダイアフラムセグメントは、静止ノズルブレードに結合するように構成された第1の表面と、第1の表面に隣接又は対向する第2の表面と、第1の表面及び第2の表面内に設置された本体部分と、第2の表面から第1の表面まで延在する開口とを含み、開口は、本体部分を通して流体を導くように構成される。
本発明のこれらの及びその他の特徴は、本発明の様々な実施形態を示す添付図面と関連させてなした本開示の様々な態様の以下の詳細な説明から一層容易に理解されるであろう。
本発明の実施形態に係る蒸気タービンノズル組立体の三次元部分斜視図。 本発明の実施形態に係る蒸気タービンノズル組立体の上面の平面図。 本発明の別の実施形態に係る蒸気タービンノズル組立体の上面の平面図。 本発明の別の実施形態に係る蒸気タービンノズル組立体の上面の平面図。 本発明の実施形態に係る蒸気タービンノズル組立体の一部分の三次元斜視図。
本発明の図面は正確な縮尺でないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様のみを示すことを意図しており、従って本発明の技術的範囲を限定するものとして考えるべきではない。図面では、同じ参照符号付けが、図面間で同様の要素を表している。
上述したように、本発明の態様は、フラッシュ開口(孔)を有する蒸気タービンノズル装置を提供する。より具体的には、本発明の態様は、組立体内の空洞を洗い流すための複数のフラッシュ開口を有する蒸気タービンノズル装置を提供する。
上述したように、ノズル組立体設計は、主に2つの形式、つまり1)バンド−リング構造を使用する伝統的なノズル組立体設計及び2)リングに接合された一体形の側壁を有するノズルセグメントを使用するより最新式の設計の1つを取る。いずれの設計においても、バンドとリングの間又はノズル側壁とリングの間に空洞が存在する。これらの空洞は、例えば製作時における機械加工オイル、或いは原子炉蒸気タービンユニットの運転時における水分又は核汚染物質により汚染される可能性がある。加えて、一体形側壁タイプ設計では、それぞれのノズルセグメント側壁間に空洞が存在し、これら空洞が、同様に汚染される可能性がある。
従って、本発明の態様は、フラッシュ開口(孔)を有する蒸気タービンノズル装置を提供する。本発明の態様はまた、フラッシュ開口を使用して蒸気タービンノズル開口内の空洞を洗い流す方法を提供することができる。開口孔の設計及び位置は、十分な高圧力を有する流体がそれらを通って流れるのを可能にすることによって、空洞及びギャップ内の汚染物質を効果的に除去するのを可能にすることができる。フラッシュ開口は、再設計しかつ新規な(まだ完全ではない)蒸気タービンノズル内に構築することができ、或いは既存の組立体に対して改造することができる。本発明の態様はまた、タービンの水平継手ギャップ開口部においてアクセス可能である開口から蒸気タービンノズル組立体内の空洞及びギャップを洗い流す方法を提供することができる。
図1に移ると、本発明の実施形態に係る蒸気タービンノズル組立体10の三次元部分斜視図を示している。図示するように、蒸気タービンノズル組立体10のこの部分は、内側ダイアフラムリングセグメント(内側セグメント)12と、外側ダイアフラムリングセグメント(外側セグメント)14と、内側セグメント12と外側セグメント14と間に位置する複数の静止ノズルブレード16とを含む。当技術分野で公知のように、一実施形態では、各静止ノズルブレード16は、一体形側壁20を備えた(かつ、完全なタービン段として製作した時に静止ノズルブレードのアニュラスを形成する)翼形部18を含むことができる。つまり、一実施形態では、側壁20は、静止ノズル翼形部18と共に形成(鋳造)することができる。別の実施形態では、本明細書において(例えば、図4に関して)さらに説明するように、静止ノズル翼形部18は、内側セグメント12と外側セグメント14の間に配置されかつそれぞれ該内側セグメント12及び外側セグメント14に溶接されたバンドに取付けることができる。
引き続き図1を参照すると、それぞれ側壁20間並びに内側セグメント12と外側セグメント14の間に空洞22(例えばギャップ、開口部、空間など)がまた図示されている。空洞22はまた、側壁20の隣り合う表面間にも図示されている。しかしながら、全ての空洞22には符号付けしておらず、矢印及び点線円のような表示によって例示的な群の空洞22を強調していることを理解されたい。いずれのケースでも、空洞22は、側壁20の隣り合う表面間に並びに/或いは側壁20とダイアフラムセグメント(内側セグメント12及び/又は外側セグメント14)との間に存在することができる。これらの空洞22は、一部には蒸気タービンノズル組立体10のこれらの領域の限られたアクセス可能性に起因して存在する。例えば、静止ノズルブレード16は、それぞれ側壁20並びに内側セグメント12と外側セグメント14の間の接合部の軸方向端部(軸「A」に関して)における溶接継手(溶接部)24によって、内側セグメント12又は外側セグメント14に固定することができる。つまり、溶接部24は、側壁20並びにダイアフラムセグメント(内側及び外側セグメント12、14)間の接合部の軸方向長さ全体には延在していない。従って、これらの空洞22は、蒸気タービンノズル組立体10を備えた蒸気タービンシステムの運転時に汚染される可能性がある。加えて、それら空洞22は、蒸気タービンノズル組立体10を備えた蒸気タービンシステムの製作及び/又は補修時に汚染される可能性がある。例えば、原子炉蒸気タービンシステムでは、蒸気タービンノズル組立体10を通って流れる蒸気の高含水量が、空洞22内の高水分状態を引き起こす可能性がある。空洞22内の水分は、時間の経過と共に集積する可能性があり、従来型の蒸気タービンシステムでは、この水分をシステムから排出させる方法がない。空洞22内の集積した水分は、原子炉蒸気タービンシステムの運転時に蒸気通路内に再流入するので性能関連問題を引き起こす可能性がある。さらに、この集積した水は、蒸気通路に流入した時に、下流構成要素(例えば、下流タービンブレード)内に、これら下流構成要素は伝統的に水ではなく蒸気と相互作用するように設計されているので、侵食関連問題を引き起こす可能性がある。加えて、機械加工オイル及びその他の汚染物質は、製作及び/又は補修時に空洞22内に滞留した状態になり、例えば性能の低下及び/又は保守コストの増大を引き起こす可能性がある。
幾つかの用途(例えば、原子炉蒸気タービン用途)では、水平継手表面26(それぞれ側壁20並びに内側及び外側セグメント12、14間の表面)に設置された空洞をシールするのを実施可能とすることができるが、このシールプロセスでは製作時に流入した可能性がある汚染物質の空洞を洗い流すことはない。加えて、隣り合う側壁20の接合部間の空洞22は、翼形部18の位置及び角度に起因してシール目的ではアクセス不能となる可能性がある。従って、たとえ水平継手表面26において空洞22をシールしたケースであっても、汚染が依然として発生する可能性がある。
従って、本発明の実施形態により示す蒸気タービンノズル組立体10はさらに、空洞22と流体接続した開口28(この三次元斜視図では隠れているので仮想線で示す)を含む。一実施形態では、開口28は、ダイアフラムセグメントを完全に貫通して半径方向(R軸)に延在することができる。例えば、本明細書にさらに説明するように、開口28は、内側セグメント12の第1の表面(例えば、図示していないが半径方向内向き表面)から該内側セグメント12の本体部分を貫通して、該内側セグメント12の第2の表面(例えば、半径方向外向き表面)まで延在する。このケースでは、開口28は、内側セグメント12の第1の表面から第2の表面に流体を導くように構成することができ、この場合に内側セグメント12の第2の表面は、該内側セグメント12と側壁20の間の空洞22に隣接している。さらに、本明細書に説明するように、別の開口28が、外側セグメント14の第1の表面29(例えば、半径方向そと向き表面)から該外側セグメント14の本体部分を貫通して、該外側セグメント14の第2の表面(例えば、半径方向内向き表面)まで延在する。このケースでは、開口28は、外側セグメント14の第1の表面29から第2の表面に流体を導くように構成することができ、この場合に外側セグメント14の第2の表面は、該外側セグメント14と側壁20の間の空洞22に隣接している。本明細書に説明するようにまた従来型のダイアフラムリングセグメントとは対照的に、開口28は、1以上のノズルブレード16と流体接続しる。つまり、開口28は、点線矢印で示すようにノズルブレード16に向けてかつ1以上の空洞22を通して加圧流体(例えば、約50〜100psiの水)の流れを導いてこれらの空洞22から汚染物質を強制的に排除することができる。
図2に移ると、本発明の実施形態に係る蒸気タービンノズル組立体100の上面の平面図を示している。蒸気タービンノズル組立体100は、蒸気タービンノズル組立体10に関連して示しかつ説明したのとほぼ同様の幾つかの構成要素を含むことができることを理解されたい。具体的には、ダイアフラムリングセグメントを完全に貫通して半径方向に延在する開口28(例えば、内側セグメント12を貫通して延在する第1の開口28及び外側セグメント14を貫通して延在する第2の開口28)を含む蒸気タービンノズル組立体100を示している。また、図2に示しているのは、外側セグメント14の第1の表面29に設置されたポート30及び内側セグメント12の第1の表面31に設置された別のポート30である。ポート30は、開口28に流体取付け(例えば、開口28の拡大部分として)することができかつその中にプラグ32を取付けるのを可能にするような寸法にすることができる。ポート30は、例えば流体で開口28を洗い流すために該開口28にアクセスするのを可能にすることにおいて、あらゆる従来型のポートと同様に作用することができる。本明細書に説明するように、流体はポート30を通して供給され、開口28を通って流れかつ空洞22から汚染物質を洗い流すことができる。
図3に移ると、本発明の別の実施形態に係る蒸気タービンノズル組立体200の上面の平面図を示している。この実施形態では、半径方向に延在する部分132と流体接続した軸方向に延在する部分130(連続チャネルとして)を含む開口128の別の実施形態を示している。軸方向に延在する部分130は、内側セグメント12の軸方向に面する壁又は表面33に(図2に関して説明したのと同様な部分130及びプラグ32により)流体接続することができる。一実施形態では、軸方向に面する表面33は、内側セグメント12の半径方向内側表面に隣接することができる。このケースでは、ポート30及びプラグ32は、内側セグメント12の軸方向側面(表面33)からアクセス可能とすることができ、それにより、オペレータ(例えば、技術者)が空洞22を洗い流すために開口28を通してより容易に流体を供給するのを可能にすることができる。
図4に移ると、本発明のさらに別の実施形態に係る蒸気タービンノズル組立体300の上面の平面図を示している。この実施形態では、翼形部18は、バンド(それぞれ内側及び外側バンド340、342)並びに溶接部324により内側セグメント12及び外側セグメント14に固定される。この実施形態では、空洞22は、それぞれ内側セグメント12及び内側バンド340の部分間に並びに外側セグメント14と外側バンド342の間に存在することができる。バンド(例えば、内側及び外側バンド340、342)並びにダイアフラムセグメント(例えば、内側及び外側セグメント12、14)間の接合部の限られたアクセス性に起因して、接合部全体にわたる溶接が実施可能でないものとなる可能性がある。溶接が実施可能でないような領域では、本明細書に示しかつ説明するフラッシュ開口(例えば、開口28、128)による利点を受けることができるような空洞22が存在するようにすることができる。
図5に移ると、本発明の実施形態に係る蒸気タービンノズル組立体400の一部分の三次元斜視図を示している。図示するように、タービンノズル組立体400の多くの構成要素(例えば、内側セグメント12、外側セグメント14、ノズルブレード16、ポート30など)は、図1〜図4に関連して示しかつ説明した構成要素にほぼ同様とすることができる。蒸気タービンノズル組立体400はさらに、外側セグメント14内に排出開口428を含む。排出開口428は、空洞22(例えば、側壁20と外側セグメント14の間の空洞)並びに外側セグメント14の半径方向外部表面(例えば、表面29)と流体接続することができる。つまり、排出開口428は、外側セグメント14の全体半径方向長さにわたり延在することができる。排出開口428は、該排出開口428が主として流体をノズルブレード16から遠ざけかつシステムから外方に導くように構成することができる点において、本明細書に示しかつ説明する開口28、128とは明確に区別することができる。この点では、排出開口428は、ポート及び/又はプラグで構成することができ或いは構成しないようにすることができる。一実施形態では、排出開口428は、開口状態に構成して、ノズルブレード16からの(外側セグメント14の本体を通しての)過剰な水の流れを可能にすることができる。一実施形態では、排出開口428は、本明細書に記載するその他の開口(例えば、開口28及び/又は128)よりも小さい直径を有することができる。一実施形態では、排出開口428は、外側セグメント14のほぼ下死点部分に設置して重力による助けでシステムから過剰な水の効率的除去を可能にすることができる。本明細書に説明するように、運転時における蒸気タービン(例えば、原子炉蒸気タービン)からの過剰な水の除去により、空洞22が水で満たされかつその結果その水が蒸気通路内に戻るように押出されるのを防止することができる。排出開口428は、外側セグメントのほぼ下死点部分に設置された状態で示しているが、排出開口428は、外側セグメント14のその他の部分内に設置することもできる。さらに、本発明の幾つかの実施形態では、複数の排出開口428を使用することができる。
「軸方向」及び「半径方向」のような用語は、参考のために使用しているが、そのような用語は、限定することを意味するものではないこと理解されたい。例えば、開口(例えば、開口28、128又は428)は、本明細書に記載する構成要素が分解されている間に、内側ダイアフラムリングセグメント12及び/又は外側ダイアフラムリングセグメント14内に(例えば、ボーリング、穿孔などにより)形成することができることを理解されたい。従って、「軸方向内側」及び「軸方向外側」のような用語をそれぞれ「第1の表面」及び「第2の表面」のような用語と置換えることができることは、本発明の態様の技術的範囲内にある。
本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とするものであり、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合に、数詞を付していない表現は、文脈がそうでないことを明確に示していない限り、複数の形態もまた含むことを意図している。さらに、本明細書で使用する場合の「含む」及び/又は「含んでいる」という用語は、記述した特徴、回数、ステップ、操作、要素及び/又は構成部品の存在を特定するが、1以上のその他の特徴、回数、ステップ、操作、要素、構成部品及び/或いはそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことを理解されたい。
本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にもする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲により定めており、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属すること。
10 蒸気タービンノズル組立体
12 内側ダイアフラムセグメント
14 外側ダイアフラムセグメント
16 静止ノズルブレード
18 翼形部
20 側壁
22 空洞
24 溶接部
26 水平継手表面
28 開口
29 外側セグメント第1の表面
30 ポート
31 内側セグメント第1の表面
32 プラグ
33 軸方向に向いた表面
100 蒸気タービンノズル組立体
128 開口
130 軸方向に延在する部分
132 半径方向に延在する部分
200 蒸気タービンノズル組立体
300 蒸気タービンノズル組立体
324 溶接部
340 内側バンド
342 外側バンド
400 蒸気タービンノズル組立体
428 排出開口

Claims (10)

  1. 蒸気タービンダイアフラム組立体(10、100、200、400)であって、
    内側ダイアフラムリングセグメント(12)と、
    外側ダイアフラムリングセグメント(14)と、
    内側ダイアフラムリングセグメント(12)と外側ダイアフラムリングセグメント(14)の間に位置する静止ノズルブレード(16)と、
    静止ノズルブレード(16)と内側ダイアフラムリングセグメント(12)又は外側ダイアフラムリングセグメント(14)の一方との間の第1の空洞(22)と
    を含んでおり、内側ダイアフラムリングセグメント(12)又は外側ダイアフラムリングセグメント(14)の上記一方が、第1の空洞(22)と流体接続した第1の開口(28)を含む、蒸気タービンダイアフラム組立体(10、100、200、400)。
  2. 第1の開口(28)が、内側ダイアフラムリングセグメント(12)又は外側ダイアフラムリングセグメント(14)の前記一方を完全に貫通して半径方向に延在する、請求項1記載の蒸気タービンダイアフラム組立体(10、100、200、400)。
  3. 第1の開口(28)が、内側ダイアフラムリングセグメント(12)又は外側ダイアフラムリングセグメント(14)の前記一方の軸方向に面する壁(33)と流体接続した軸方向に延在する部分(130)を含む、請求項1記載の蒸気タービンダイアフラム組立体(10、100、200、400)。
  4. 前記静止ノズルブレード(16)と内側ダイアフラムリングセグメント(12)又は外側ダイアフラムリングセグメント(14)の他方との間の第2の空洞(22)をさらに含んでいて、前記内側ダイアフラムリングセグメント(12)又は外側ダイアフラムリングセグメント(14)の上記他方が、第2の空洞(22)と流体接続した第2の開口(28、128)を含む、請求項1記載の蒸気タービンダイアフラム組立体(10、100、200、400)。
  5. 第2の開口(28)が、内側ダイアフラムリングセグメント(12)又は外側ダイアフラムリングセグメント(14)の前記他方を完全に貫通して半径方向に延在する、請求項4記載の蒸気タービンダイアフラム組立体(10、100、200、400)。
  6. 第1の開口(28)が、内側ダイアフラムリングセグメント(12)又は外側ダイアフラムリングセグメント(14)の前記一方の外側壁(29、31、33)に延在し、第1の開口(28、128)が、前記外側壁に設置されたポート(30)をさらに含む、請求項1記載の蒸気タービンダイアフラム組立体(10、100、200、400)。
  7. 前記外側壁(29、31)が、半径方向に面する外側壁(29、31)又は軸方向に面する外側壁(33)のいずれかである、請求項6記載の蒸気タービンダイアフラム組立体(10、100、200、400)。
  8. 前記外側ダイアフラムリングセグメント(14)内に排出開口(428)をさらに含み、 前記排出開口(428)が、第1の空洞(22)と流体接続しておりかつ前記外側ダイアフラムリングセグメント(14)のほぼ下死点部分に設置される、請求項6記載の蒸気タービンダイアフラム組立体(10、100、200、400)。
  9. 蒸気タービンダイアフラム組立体(400)であって、
    内側ダイアフラムリング(12)と、
    外側ダイアフラムリング(14)と、
    内側ダイアフラムリング(12)と外側ダイアフラムリング(14)との間に位置する静止ノズルブレード(16)のアニュラスと、
    静止ノズルブレード(16)のアニュラスと内側ダイアフラムリング(12)との間の内側空洞(22)と、
    静止ノズルブレード(16)のアニュラスと外側ダイアフラムリング(14)との間の外側空洞(22)と
    を含んでおり、内側ダイアフラムリング(12)が、内側空洞(22)と流体接続した第1の開口(28、128)を含んでおり、外側ダイアフラムリング(14)が、外側空洞(22)と流体接続した第2の開口(28、128、428)を含んでいる、蒸気タービンダイアフラム組立体(400)。
  10. 蒸気タービンダイアフラムセグメント(12、14)であって、
    静止ノズルブレード(16)に結合するように構成された第1の表面と、
    第1の表面に隣接又は対向する第2の表面(29、31、33)と、
    第1の表面及び第2の表面(29、31、33)内に設置された本体部分(12、14)と、
    第2の表面(29、31、33)から第1の表面まで延在する開口(28、128、428)と
    を含んでおり、開口(28、128、428)が、本体部分(12、14)を通して流体を導くように構成されている、蒸気タービンダイアフラムセグメント(12、14)。
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