JP2013122246A - 蒸気タービン、ブレード、及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービン用のステータブレードリング及びステータブレードリングの製造方法を提供すること。
【解決手段】多段蒸気タービンの最終段のステータブレードリングは、環状チャンバを画成し各々細長いブレード部を有する複数のステータブレードモジュールを含む。細長いブレード部はさらに、長手方向通路と、ブレード部の第１の長手方向端部にろう付けされた内側部分とを含み、該内側部分が、環状チャンバの一部を形成する貫通孔と、該貫通孔から前記長手方向通路に延在する内側通路とを有する。外側部分は、ブレード部の第２の長手方向端部にろう付けされて蒸気タービンに係合される。外側部分は、蒸気タービンの表面及び長手方向通路に向けて開いた外側通路を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、広義には蒸気タービンに関し、具体的には、蒸気タービン用のステータブレードリング及びステータブレードリングの製造方法に関する。

蒸気タービンは、蒸気の熱及び圧力エネルギーを回転運動に変換し、これを用いて仕事を行うことができるターボ機械である。蒸気タービンは、例えば、発電機又は圧縮機を駆動するのに用いることができる。

蒸気タービンの効率を向上させるために、蒸気は、多くの場合、複数の段を通って膨張される。各段は通常、ステータブレードダイアフラムと、少なくとも１つのインペラを含む軸受装着ロータアセンブリとを含む。

蒸気が、蒸気タービンの後段を通って進むと、十分なエネルギーが蒸気から吸収されて蒸気の一部が凝縮されるようになり、従って、いわゆる湿潤蒸気になることができる。潜在的に腐食作用を有することに加えて、湿り蒸気がステータブレードダイアフラムに衝突したときに、凝縮液は、ステータブレード及びダイアフラムの他の部分に激しく衝突する傾向がある。結果として、蒸気タービンの後段におけるステータブレード及び各ステータブレードダイアフラムの他の部分は、例えば、高比率の凝縮液を有する湿り蒸気に長期にわたり曝露されている間に損傷を受ける可能性がある。

最新の蒸気タービンにおいて、ステータブレードダイアフラムの製造は、特に各々が１以上の別個のステータブレードダイアフラムを含むことができる１以上の段を有する多段蒸気タービンにおいてコストの多くの部分を占める。

ステータブレードダイアフラムが損傷を受けた場合、蒸気タービンをシャットダウンし、保守整備のために損傷を受けたステータダイアフラムを取り外すことが必要となる可能性がある。現場での補修が実施可能ではない場合、ダイアフラム全体を補修のための送る必要があり、或いは、新規のステータダイアフラム全体を設置しなければならない。さらに悪いことには、代替物が利用可能である場合、新規のステータブレードダイアフラムを作製しなければならない。従って、ステータダイアフラムのコストに加えて、蒸気タービンの停止時間の延長に伴うコストも発生する。

従って、必要とされるのは、保守整備及び／又は交換が容易であり、湿り蒸気が存在する場合にも正常に動作することができ、また、製造がより容易な簡単な設計を提供する、従来のステータブレードダイアフラムに対する代替物である。

米国特許第３８８１８４２号明細書

例示的な実施形態では、蒸気タービンのステータブレードリングは、環状チャンバを画成する複数のステータブレードモジュールを備え、各ステータブレードモジュールが、第１のブレードシェル部分及び該第１のブレードシェル部分にろう付けされた第２のブレードシェル部分を有する細長いブレード部を含む。細長いブレード部はさらに、長手方向通路と、第１のブレードシェル部分及び第２のブレードシェル部分のうちの１つを通って長手方向通路に延在する少なくとも１つの開口とを有する。内側部分が、ブレード部の第１の長手方向端部にろう付けされ、該内側部分は、環状チャンバの一部を形成する貫通孔を含み、該貫通孔から前記長手方向通路に延在する内側通路をさらに含む。外側部分が、ブレード部の第２の長手方向端部にろう付けされて蒸気タービンに係合され、該外側部分は、蒸気タービンの表面及び長手方向通路に向けて開いた外側通路を含む。

別の例示的な実施形態では、ターボ機械は、少なくとも１つのインペラを含むロータアセンブリと、ロータアセンブリに接続され且つ該ロータアセンブリを回転可能に支持する軸受と、環状チャンバを画成する複数のステータブレードモジュールを有するステータブレードリングとを含む。各ブレードモジュールは、第１のブレードシェル部分及び該第１のブレードシェル部分にろう付けされた第２のブレードシェル部分を有する少なくとも１つの細長いブレード部と、少なくとも１つのブレード部の第１の長手方向端部にろう付けされ、環状チャンバの一部を形成する貫通孔を有する内側部分と、少なくとも１つのブレード部の第２の長手方向端部にろう付けされて蒸気タービンの表面に係合された外側部分とを含む。ブレードモジュールのうちの少なくとも１つが、長手方向通路及び液体が長手方向通路に流入するための開口と、液体が環状チャンバと長手方向通路との間を流れることができるように、貫通孔から長手方向通路に延在する内側部分の内側通路とを含む。ブレードモジュールのうちの少なくとも１つが、少なくとも１つのブレード部の長手方向通路と、液体が環状チャンバと長手方向通路との間を流れることができるように、貫通孔から長手方向通路に延在する内側部分の内側通路と、液体がステータブレードリングから流出できるように長手方向通路及び開口からターボ機械の表面に延在する外側通路とを含む。

別の例示的な実施形態では、ステータブレードリング用のブレードモジュールを製造する方法は、第１のブレードシェル部分の第１及び第２の縁部を第２のブレードシェル部分の第１及び第２の縁部にろう付けし、長手方向通路を有する細長いブレード部を提供するステップと、内側部分に貫通孔を形成するステップと、内側部分の表面から貫通孔に延在する内側通路を内側部分に形成するステップと、ブレード部の第１の長手方向端部を内側部分の表面にろう付けし、長手方向通路が内側通路に向けて開くようにするステップと、外側部分の第１の表面から第２の表面に延在する外側通路を外側部分に形成するステップと、ブレード部の第２の長手方向端部を外側部分の第１の表面にろう付けし、長手方向通路が外側通路に向けて開くようにするステップとを含む。

本明細書に組み込まれ且つその一部を構成する添付図面は、１以上の実施形態を例証しており、本明細書と共にこれらの実施形態を説明する。

蒸気タービンの図。 例示的な実施形態の斜視図。 図２の例示的な実施形態の側面図。 図２に示す例示的な実施形態の断面図。 図２に示す例示的な実施形態の内側部分の図。 図２に示す例示的な実施形態の内側部分の図。 図２に示す例示的な実施形態の内側部分の図。 図２に示す例示的な実施形態の外側部分の図。 図２に示す例示的な実施形態の外側部分の図。 図２に示す例示的な実施形態の外側部分の図。 例示的な実施形態による、ステータブレードリング用のブレードモジュールを製造する方法を示すフローチャート。

好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、添付図面を参照する。異なる図面における同じ参照符号は、同じ又は同様の要素を示している。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の範囲は、添付の請求項によって定義される。以下の実施形態は、簡単にするために、ステータ及びロータを有するタービン機械の用語及び構造に関して考察される。しかしながら、以下で考察されることになる実施形態は、これらの例示的なシステムに限定されず、他のシステムに適用してもよい。本明細書を通して「一実施形態」又は「実施形態」として言及することは、実施形態に関連して説明される具体的な特徴、構造、又は特性が本開示の主題の少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体を通じて様々な箇所で表現「一実施形態では」又は「ある実施形態では」が出現するが、必ずしも同じ実施形態について言及している訳ではない。さらに、具体的な特徴、構造、又は特性は、１以上の実施形態ではあらゆる好適な様態で組合せてもよい。

これらの例示的な実施形態によるステータブレードに関する以下の考察についてのある関連状況を提供するために、図１は、多段蒸気タービン４００の形態のターボ機械を概略的に示している。ここで、蒸気タービン４００はハウジング（ステータ）４２０を含み、その内部には、複数のインペラロータ４４０を備えるロータシャフト４５０と共に幾つかのステータブレードダイアフラム４３０が配置されている。シャフト４５０は、半径方向及び軸方向で軸受４８０を介して支持される。

作動中、蒸気タービンは、入口４６０から蒸気入力を受け取り、種々の膨張段を通って凝縮器につながる出口４７０に流出させる。各タービン段では、蒸気はステータダイアフラム４３０によってインペラロータ４４０上に配向され、これにより蒸気の温度及び圧力エネルギーを回転エネルギーに変換し、ロータシャフト４５０において仕事に使用可能である。

図２は、本発明の例示的な実施形態による、ステータブレードリング１２の一部を示す。ステータブレードリング１２は、蒸気タービン１０においてロータ２８（図３）の周りに延在する複数の個々のステータブレードモジュール１４を含む。図２では、２つのこのようなブレードモジュール１４ａ、１４ｂが示されている。

各ステータブレードモジュール１４ａ、１４ｂは、図２及び図３に示すように、細長いブレード部１６を含む。図４は、長手方向補強リブ２４と長手方向通路２６とを有する細長いブレード部１６の断面図を示す。図４にさらに示されるように、ブレードモジュール１１６はまた、補強リブ２４無しで設けることもでき、従って、単一の長手方向通路２６を有することができる。以下でさらに詳細に考察されるように、各ブレード部１６は、上流側縁部３２及び下流側縁部３４に沿って第１のブレードシェル部分１８を第２のブレードシェル部分２２にろう付けすることにより作製される。

図２〜図４にさらに示すように、各ブレード部１６は、ブレードシェル部分２２及びブレードシェル部分２４のうちの少なくとも１つに複数の開口３６を含む。図２〜図４の実施形態では、各開口３６は、放電加工によって形成されたスロットである。或いは、開口３６は、孔加工又はフライス加工などの他の機械加工プロセスによって形成することができ、もしくは開口３６は、例えば、モールドインサートによってブレードシェル部分２２及びブレードシェル部分２４の初期製造中に形成されてもよい。

各ブレードモジュール１４は、図２に示すように、少なくとも１つのブレード部１６の第１の長手方向端部に接続された内側部分３８を含む。図２〜図４に示す実施形態では、内側部分３８は、以下でさらに考察されるように、ブレード部１６にろう付けされる。各内側部分３８は、ブレード部１６の長手方向軸線４６（図３）に横方向に延在する貫通孔４２を含む。貫通孔４２は、ブレードモジュールの各々が蒸気タービン１０内に設置されたときに、ステータブレードリング１２において環状チャンバ２０の一部を形成する。隣接するブレードモジュール１４において貫通孔１２間のシールを強化するために、各貫通孔１２の少なくとも１つの端部は、シールガスケットを受けるように構成された溝４８を備えることができる。図２〜図４の実施形態では、溝４８は、Ｏリングを受けるように構成される。

各内側部分３８はまた、図３に示すように、貫通孔１２から各長手方向通路２６に延在する少なくとも１つの内側通路４４を含む。代替として、補強リブ２４がブレード部１６の長手方向端部の手前で終端されている場合、単一の内側通路４４が両方の長手方向通路２６に向けて開くことができる。

各ステータブレードモジュール１４はまた、図２及び図３に示すように、少なくとも１つのブレード部１６の第２の長手方向端部に接続された外側部分５２を含む。各外側部分５２は、図２、図９及び図１０に示すように、各長手方向通路２６に向けて、並びに蒸気タービン１０の内側表面に向けて開いた少なくとも１つの外側通路５４を含む。さらに、図２〜図４及び図８〜図１０の実施形態では、各外側部分は、その少なくとも１つの側部上に溝７４を含むことができる。溝７４は、互いに隣接する外側部分５２をシールし、及び／又はステータブレードリング１２に減衰作用をもたらすガスケットを受けるように構成することができる。ステータブレードリング１２は、図２に示すように、蒸気タービン１０の後段の１つにおいて用いることができる。作動中、各ブレード部１４に衝突する湿り蒸気からの凝縮液は、開口３６の１つを通ってブレード部１６の長手方向通路２６に流入することができる。凝縮液が蒸気タービン１０の構成要素に損傷を及ぼす可能性が低い場所で凝縮液がステータブレードリング１２の外部に流出するまで、ブレードモジュール１４内を移動するのに複数の経路が利用可能である。ロータシャフトの上にステータブレードモジュール１４を含むことができる１つの経路において、凝縮液は、各長手方向通路２６及び内側通路４４を通って下方に移動して貫通孔１２に入ることができる。ステータブレードリング１２の周りに延在する環状チャンバ２０を形成する隣接ブレードモジュール１４における開放貫通孔４２は、重力により凝縮液を下向きに連続して流すことを可能にする。凝縮液は、環状チャンバ２０から出て、蒸気タービン１０のロータシャフトより下のブレードモジュール１４の内側通路４４を通る下方経路を辿ることができる。最終的に、凝縮液は、外側通路５４を通ってブレードリング１２の外部の蒸気タービンの表面に流れることができる。

別の経路において、凝縮液は、蒸気タービン１０のロータシャフトより下のブレード部１６の長手方向通路２６に入り、最初に貫通孔４２によって形成される環状チャンバ２０を通って移動せずに、外側通路５４を通って流出することができる。

蒸気タービン１０の後段を通って進む湿り蒸気から凝縮液を除去することにより、ステータブレードリング１２並びにタービンブレード１６及び蒸気タービン１０の他の下流側構成要素に対する損傷を阻止することができる。さらに、ステータブレードリング１２は、他のプロセスで使用するために余熱を含むことができる凝縮液の収集を可能にする。

一部のブレードモジュール（例えば、蒸気タービン１０のロータシャフトの上のブレードモジュール）は、凝縮液の下流側への流れによりロータシャフトの上のブレードモジュール１４における外側通路５４の必要性を排除することができるので、外側通路５４無しで設けられ、例えば、製造コストを低減することができる。さらに、一部のブレードモジュール１４は、例えば、製造コストをさらに低減するためにスロット無しのブレード部１６を備えることができる。代替として、図２〜図３及び図５〜図１０の実施形態に示すように、ブレードモジュール１４の各々は、互いに同一とすることができる。この特徴要素は幾つかの利点を提供することができる。例えば、製造プロセスがより均一になる。また、蒸気タービン１０の保守整備は、全てのブレードモジュール１４がステータブレードリング１２内で同一であるので、例示的な実施形態によって実施可能な単一のブレードモジュール１４の補修又は交換の間に単一の部品数しか必要ではない点で、より好都合である。

１つの単位として保守整備する必要があるステータブレードダイアフラムに対してコスト節減を可能にすることに加えて、ブレードモジュール１４は、従来のステータブレードダイアフラムリングよりも設置及び／又は交換が簡単な簡易的一体部品設計を提供する。図２、図３及び図８〜図１０に示すように、各ブレードモジュール１４の外側部分５２は、蒸気タービン１０に直接係合される。具体的には、各外側部分５２は、上流側溝５６及び下流側溝５８を含む。蒸気タービン１０は、溝５６を係合する上流側リッジ６２と、溝５８を係合する下流側リッジ６４とを含む。溝５６は、溝５８よりも内側部分３８により近接してオフセットしている。溝５６及び５８間のオフセットにより、各ステータブレードモジュールが蒸気タービン１０を通る蒸気の所望の流路に良好に一致することが可能になり、また、技術者が、ステータブレードリング１２の組み立て又は保守整備中にブレードモジュール１４を意図せずに間違った向きに設置するのを防ぐことができる。

図２及び図３に示すように、外側通路５４は、リッジ６２とリッジ６４との間の蒸気タービン１０の表面に向けて開いている。チャンバ７６は、ブレードリング１２の外側表面と蒸気タービン１０の表面との間に形成される点に留意されたい。チャンバ７６は、外側通路５４から流出する凝縮液の好都合な収集を可能にすることができる。

各内側部分３８の溝６６は、図２、図３及び図５〜図７に示すように、ステータブレードリング１２の中心に面する連続した円周方向溝を形成する。図３に示すように、各溝６６は、ステータブレードモジュール１４を共にロックする金属リング６８によって係合される。

図２、図３及び図５〜図７にさらに示すように、各ステータブレードモジュール１４の内側部分３８は、各ブレード１６の第１の長手方向端部を囲む内側ろう付けプラットフォーム７２を画成する。また、図２、図３及び図８〜図１０に示すように、各ステータブレードモジュールの外側部分５２は、各ブレード１６の第２の長手方向端部を囲む外側ろう付けプラットフォーム７４を画成する。

ろう付けプラットフォーム７２及びろう付けプラットフォーム７４は、各ブレード１６の長手方向端部をろう付けし、及び／又は蒸気タービン１０内に段及び／又は蒸気流路の一部を画成するための好都合な表面を提供する。図２及び図３から、各外側部分５２のろう付けプラットフォーム７４は、蒸気タービン１０の周囲表面に均等に移行する点に留意されたい。

図２〜図４の実施形態では、ブレードシェル部分１８は、ブレードシェル部分２２に真空ろう付けすることができる。結果として得られるブレード部１６の第１及び第２の長手方向端部は、各ステータブレードモジュール１４の内側部分３８及び外側部分５２に真空ろう付けすることができる。ダイアフラム１４の真空ろう付けを実施するのに使用される真空ろう付け機器は、例えば、米国特許第４８７４９１８号及び第４４０１２５４号で開示されるような標準的な真空ろう付け機器とすることができ、これらの開示事項は引用により本明細書に組み込まれる。

従って、図１１に示す例示的な実施形態では、細長いブレード部と、内側部分と、外側部分とを含む、ステータブレードリング用のブレードモジュールを製造する方法（１００）は、第１のブレードシェル部分の第１及び第２の縁部を第２のブレードシェル部分にろう付けし、細長いブレード部に長手方向通路を形成するステップ（１００２）と、内側部分に貫通孔を形成するステップ（１００４）と、内側部分の表面から貫通孔に延在する内側通路を内側部分に形成するステップ（１００６）と、ブレード部の第１の長手方向端部を内側部分の表面にろう付けし、長手方向通路が内側通路に向けて開くようにするステップ（１００８）と、外側部分の第１の表面から第２の表面に延在する外側通路を外側部分に形成するステップ（１０１０）と、ブレード部の第２の長手方向端部を外側部分の第１の表面にろう付けし、長手方向通路が外側通路に向けて開くようにするステップ（１０１２）とを含むことができる。

上記の例示的な実施形態は、全てに点において本発明の限定ではなくて例示であることを意図している。従って、本発明は、本明細書に含まれる説明から当業者が導くことができる詳細な実施構成の多くの変形形態が可能である。全てのそのような変形及び修正形態は、特許請求の範囲によって定まる本発明の技術的範囲及び技術思想の範囲内にあると考えられる。本出願の説明に使用された如何なる要素、段階又は命令も、明示的に示していない限り、本発明に決定的に重要な、あるいは不可欠なものとして解釈されるべきではない。また、本明細書で使用する場合に、数詞を付していない表現は、１以上の項目を含むことを意図している。

４００ 多段蒸気タービン
４２０ ハウジング（ステータ）
４３０ ステータブレードダイアフラム
４４０ インペラロータ
４５０ シャフト
４６０ 入口
４７０ 出口
４８０ 軸受

Claims (10)

1. 環状チャンバを画成する複数のステータブレードモジュールを備える蒸気タービンのステータブレードリングであって、
   前記ステータブレードモジュールが各々、
   第１のブレードシェル部分及び該第１のブレードシェル部分にろう付けされた第２のブレードシェル部分を含み、長手方向通路と、前記第１のブレードシェル部分及び前記第２のブレードシェル部分の少なくとも１つを通って前記長手方向通路に延在する少なくとも１つの開口とをさらに含む細長いブレード部と、
   前記ブレード部の第１の長手方向端部にろう付けされ、前記環状チャンバの一部を形成する貫通孔を含み、該貫通孔から前記長手方向通路に延在する内側通路をさらに含む内側部分と、
   前記ブレード部の第２の長手方向端部にろう付けされて前記蒸気タービンに係合され、前記蒸気タービンの表面及び前記長手方向通路に向けて開いた外側通路を含む外側部分と
   を備える、ステータブレードリング。
2. 前記外側部分が、前記蒸気タービンの表面に第１のリッジを係合するように構成された第１の溝と、前記蒸気タービンの表面に第２のリッジを係合するように構成された第２の溝とを含む、請求項１記載のステータブレードリング。
3. 前記第１の溝及び前記第２の溝が、前記内側部分に対してオフセットしている、請求項２記載のステータブレードリング。
4. 前記各ブレードモジュールの内側部分の溝が、前記ステータブレードリングの円周方向溝を形成し、該円周方向溝が、前記複数のブレードモジュールをロックするための金属リングによって係合される、請求項３記載のステータブレードリング。
5. 前記円周方向溝が、前記ステータブレードリングの中心に向かって内向きに面する、請求項４記載のステータブレードリング。
6. 多段蒸気タービンであって、当該多段蒸気タービンが、
   少なくとも１つのインペラを含むロータアセンブリと、
   前記ロータアセンブリに接続され且つ該ロータアセンブリを回転可能に支持する軸受と、
   環状チャンバを画成する複数のステータブレードモジュールを有する、前記蒸気タービンの最終段のステータブレードリングと
   を備えており、前記各ブレードモジュールが、
   第１のブレードシェル部分及び該第１のブレードシェル部分にろう付けされた第２のブレードシェル部分を含む少なくとも１つの細長いブレード部と、
   前記少なくとも１つのブレード部の第１の長手方向端部にろう付けされ、前記環状チャンバの一部を形成する貫通孔を含む内側部分と、
   前記少なくとも１つのブレード部の第２の長手方向端部にろう付けされて前記蒸気タービンの表面に係合された外側部分と
   を含んでおり、前記ブレードモジュールのうちの少なくとも１つのブレードモジュールのブレード部が、長手方向通路及び蒸気凝縮液が前記長手方向通路に流入するための開口を含み、前記少なくとも１つのブレードモジュールの内側部分が、前記蒸気凝縮液が前記環状チャンバと前記長手方向通路との間を流れるため前記貫通孔から前記長手方向通路に延在する内側通路を含み、前記ブレードモジュールのうちの少なくとも１つの別のブレードモジュールのブレード部が、長手方向通路を含み、前記別のブレードモジュールの内側部分が、前記蒸気凝縮液が前記環状チャンバと前記長手方向通路との間を流れることができるように前記貫通孔から前記長手方向通路に延在する内側通路を含み、前記別のブレードモジュールの外側部分が、前記蒸気凝縮液が前記ステータブレードリングから流出できるように前記長手方向通路及び開口から前記ターボ機械の表面に延在する外側通路を含む、多段蒸気タービン。
7. 前記各ブレードモジュールの外側部分の第１の溝が、前記蒸気タービンの表面上の第１のリッジによって係合される、請求項６記載の蒸気タービン。
8. 前記各ブレードモジュールの外側部分の第２の溝が、前記蒸気タービンの表面上の第２のリッジによって係合される、請求項７記載の蒸気タービン。
9. 前記第１の溝が、前記ターボ機械内の作動流体の流れの上流側に面し、前記第２の溝が、下流側に面する、請求項８記載の蒸気タービン。
10. 蒸気タービンの最終段のステータブレードリング用のブレードモジュールを製造する方法であって、前記ブレードモジュールが、細長いブレード部と、内側部分と、外側部分とを含み、当該方法が、
    第１のブレードシェル部分の第１及び第２の縁部を第２のブレードシェル部分の第１及び第２の縁部にろう付けし、前記細長いブレード部に長手方向通路を形成するステップと、
    前記内側部分に貫通孔を形成するステップと、
    内側部分の表面から前記貫通孔に延在する内側通路を前記内側部分に形成するステップと、
    前記ブレード部の第１の長手方向端部を前記内側部分の表面にろう付けし、前記長手方向通路が前記内側通路に向けて開くようにするステップと、
    前記外側部分の第１の表面から第２の表面に延在する外側通路を前記外側部分に形成するステップと、
    前記ブレード部の第２の長手方向端部を前記外側部分の第１の表面にろう付けし、前記長手方向通路が前記外側通路に向けて開くようにするステップと
    を含む、方法。