JP2013189975A

JP2013189975A - タービン用排気ディフューザ

Info

Publication number: JP2013189975A
Application number: JP2013042473A
Authority: JP
Inventors: Prakash Bavanjibhai Dalsania; プラカッシュ・バヴァンジバイ・ダルサニア; Joseph Anthony Cotroneo; ジョセフ・アンソニー・コトロネオ; Sudhakar Neeli; スダカール・ニーリ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2013-09-26
Also published as: CN103306754A; RU2013111162A; US20130243564A1; EP2639404A1

Abstract

【課題】
最終段バケットを超える先端漏れ流の流れ剥離を低減する。
【解決手段】
タービン用排気ディフューザは、タービンの最終段バケットから排気ガスを受け入れるように構成される入口と、排気ガスを案内するように構成される排気ガスガイド面とを備える。ガイド面の湾曲は、タービンの軸に対して第１の角度を含んでいるとともに約０．４５〜０．７０のガイド面軸方向長さと最終段バケットの有効長との比を含んでいる。タービンの排気を拡散する方法は、タービンの最終段バケットを超える先端漏れを利用して排気ディフューザの湾曲した排気流ガイド面に沿って境界層を付勢する段階を含む。湾曲した排気流ガイド面は、タービンの軸に対して第１の角度を含んでいるとともに約０．４５〜０．７０のガイド面軸方向長さと最終段バケットの有効長との比を含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービン用排気ディフューザ、及びタービンのシュラウド付き又はシュラウド無し最終段バケットを超える先端漏れ流の流れ剥離を低減する方法に関する。

軸流タービンからの排気蒸気の吐出、例えば、排気蒸気の凝縮器への吐出において、蒸気流をできるだけスムーズに供給して、この流れの渦流の蓄積、乱流、及び不均一性によるエネルギ損失を最小にすることが望ましい。通常、タービンからの排気は排気フードに案内され、ここからタービン軸に対して実質的に直交する方向でフードの吐出口を通って凝縮器に入る。タービンの排気部での軸方向流から排気フードでの半径方向流へのスムーズな移行、従って、フードの吐出口での凝縮器へのスムーズな流れを実現することが望ましい。

このような軸流タービンと共に使用するのに有効な排気フードの構成において、使用される何らかの案内手段内の加速損失を回避して、タービンにおいて最も効率のよいエネルギ変換のため及びタービンに結合される凝縮器への効果的な排気蒸気の供給のために、吐出口において比較的均一な流れ分布を実現することが望ましい。

また、タービンから排出する前に、最終段バケットの出口面において比較的均一な円周方向及び半径方向の圧力分布を実現することで、タービンの最終段バケットにおいて最適な効率を実現することが望ましい。通常、タービン列の軸方向寸法を制限するように、できるだけ軸方向の長さの短いフードを使用しながらこれらの結果を得るための試みが行われてきた。

ディフューザは蒸気タービンにおいて一般的に利用される。有効なディフューザは、タービン効率及び出力を改善することができる。残念ながら、このようなタービンに存在する複雑な流れパターン並びにスペース制限により生じる設計問題により、完全に効果的なディフューザの設計がほとんど不可能になる。多くの場合、その結果として、流れ面積の増大により蒸気速度が低下するような静圧を上昇させるディフューザの能力を完全に又は部分的に無効にする流れ剥離が生じる。軸方向蒸気タービンと共に使用される下向きの排気フードでは、ディフューザ吐出から排気フード吐出への損失は、最上部から最下部まで変化する。最上部では、流れの大部分は１８０度転回して、ディフューザ及び内側ケーシングの上に置かれ、次いで下方に転回される。従って、最上部での圧力は、側部におけるよりも大きく、該側部の圧力は最下部におけるよりも大きい。

例示的な実施形態では、タービン用排気ディフューザは、タービンの最終段バケットから排気ガスを受け入れるように構成される入口と、排気ガスを案内するように構成される排気ガスガイド面とを備える。ガイド面の湾曲は、タービンの軸に対して第１の角度を含んでいるとともに約０．４５〜０．７０のガイド面軸方向長さと最終段バケットの有効長との比を含んでいる。

例示的な別の実施形態では、タービンの排気を拡散する方法は、タービンの最終段バケットを超える先端漏れを利用して排気ディフューザの湾曲した排気流ガイド面に沿って境界層を付勢する段階を含む。湾曲した排気流ガイド面は、タービンの軸に対して第１の角度を含んでいるとともに約０．４５〜０．７０のガイド面軸方向長さと最終段バケットの有効長との比を含んでいる。

タービンの最終段バケットに関する第１及び第２の排気流ディフューザの概略図。最終段バケットに関する図１の第２の排気流ディフューザの蒸気ガイド長の概略図。図１の第２の排気流ディフューザの蒸気ガイド面の角度の概略図。傾斜シュラウドに関する蒸気ガイド面の角度の概略図。最終段バケット及び傾斜シュラウドの概略図。

図１を参照すると、蒸気タービン低圧セクションの第１の排気流ディフューザ２は、タービンの最終段バケット１４を通る蒸気を受け入れる入口１８を含む。排気流ディフューザ２は、最終段バケット１４を通って流れる蒸気を案内する蒸気ガイド面４及びディフューザ端壁６をさらに含む。最終段バケット１４の有効長ＡＬに対するディフューザの軸方向長さＬ（最終段バケット１４の中心線１６からディフューザ端壁６まで測定した場合）の比は約２．０である。最終段バケット１４の中心線１６は、バケットのルート部の重心を通る半径方向線である。

図１をさらに参照すると、ディフューザ２とは異なる構成の第２のディフューザ８が示されている。ディフューザ８では、最終段バケット１４の有効長ＡＬに対する軸方向長さＬ（中心線１６からディフューザ端壁１２まで測定した場合）の比は約１．３５である。図１に示すように、第１のディフューザ２及び第２のディフューザ８は、同じディフューザ面積比をもつので、結果的に第２のディフューザ８は鋭い曲線の蒸気ガイド面１０をもつ。第２のディフューザ８のディフューザ面積比を第１のディフューザと同じに維持すると、大きな曲率に起因して蒸気ガイド面１０からの流れ剥離につながる場合がある。

ディフューザ８は、最終段バケット１４を超える先端漏れを利用して、ディフューザ８の蒸気ガイド面１０に沿って境界層を付勢して、蒸気が蒸気ガイド面１０から剥離するのを低減又は防止する。蒸気が蒸気ガイド面１０から剥離するのを低減又は防止すると、静圧回復が改善する。

最終段バケット１４の先端クリアランスは、減少させるか又は最小にて、タービンの回転ブレードの流体（蒸気又は高温ガス）の仕事を大きくすること又は最大にすることができる。所定量のクリアランスは、ブレードとケーシングとの間の擦れの可能性を低減するために設けることができる。最終段バケット１４は、例えば、約１２５〜２００ミルまで様々とすることができる当該半径方向先端クリアランスを有し、漏れ流量はアニュラス流量の約０．５％から２％である。最終段バケット１４の先端クリアランスは、さもなければ、例えば、５０〜１６０ミルとすることができることを理解されたい。

図２を参照すると、約１．５のＬ／ＡＬの比を有するディフューザ８は、約０．４５〜０．７０、例えば約０．５５の最終段バケット１４の有効長ＡＬに対する蒸気ガイド軸方向長さＳＧＬ（最終段バケット１４の中心線１６から蒸気ガイド面１０の端部までを測定した場合）の比を有する。図３を参照すると、最終段バケット１４は、例えば、約０°の先端角Ａを有し、蒸気ガイド面１０の湾曲は、バケット先端傾斜から蒸気ガイド子午線長の最初の２５％上での角度の変化範囲、例えば０°〜１８°、例えば約２°、１１°、又は１４°に対応することができる第１の角度Ｂを有する。子午線距離の５０％での蒸気ガイド面１０の湾曲の第２の角度Ｃは、例えば、１４°〜３２°、例えば２０°、２２°、又は２８°で変化できる。子午線距離の７５％での蒸気ガイド面１０の湾曲の第３の角度Ｄは、例えば、１６°〜３２°、例えば２４°、２６°、又は２８°で変化できる。

図４及び図５を参照すると、タービンは、傾斜シュラウド２０を含むことができる。最終段バケット１４は、例えば、約２５°の先端角Ａを有し、蒸気ガイド面１０の湾曲は、バケット先端傾斜から蒸気ガイド子午線長の最初の２５％上での角度の変化範囲、例えば０°〜１８°、例えば約２°、１１°、又は１４°に対応することができる第１の角度Ｂを有する。子午線距離の５０％での蒸気ガイド面１０の湾曲の第２の角度Ｃは、例えば、１４°〜３２°、例えば２０°、２２°、又は２８°で変化できる。子午線距離の７５％での蒸気ガイド面１０の湾曲の第３の角度Ｄは、例えば、１６°〜３２°、例えば２４°、２６°、又は２８°で変化できる。

本実施形態は蒸気タービンに関連して記載されるが、このディフューザはガスタービンと一緒に使用できることを理解されたい。

現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。

２第１の排気流ディフューザ
４蒸気ガイド面（第１のＥＦＤ）
６ディフューザ端壁（第１の排気流ディフューザ）
８第２の排気流ディフューザ
１０蒸気ガイド面（第２の排気流ディフューザ）
１２ディフューザ端壁（第２の排気流ディフューザ）
１４最終段バケット
１６最終段バケット中心線
１８ディフューザ入口
ＡＬ有効長
Ｌディフューザ長
ＳＧＬ蒸気ガイド長

Claims

タービンの最終段バケットから排気ガスを受け入れるように構成される入口と、
排気ガスを案内するように構成される排気ガスガイド面と
を備えるタービン用排気ディフューザであって、
ガイド面の湾曲が、タービンの軸に対して第１の角度を含んでいるとともに約０．４５〜０．７０のガイド面軸方向長さと最終段バケットの有効長との比を含んでいる、排気ディフューザ。
ガイド面軸方向長さと有効長との比が約０．５５である、請求項１記載の排気ディフューザ。
排気ディフューザの軸方向長さと有効長との比が約１．３５〜２．０である、請求項１記載の排気ディフューザ。
ガイド面の湾曲が、第２の角度及び第３の角度を含んでおり、第１、第２及び第３の角度が、蒸気ガイドの２５％、５０％及び７５％の子午線距離でのその前の２５％子午線距離に対する角度の変化範囲に対応する、請求項１記載の排気ディフューザ。
第１の角度の変化が０°〜１８°の範囲であり、第２の角度の変化が１４°〜３２°の範囲であり、第３の角度の変化が１６°〜３２°である、請求項４記載の排気ディフューザ。
第２の角度が第１の角度よりも大きく、第３の角度が第２の角度よりも大きい、請求項４記載の排気ディフューザ。
第２の角度と第３の角度がほぼ等しい、請求項４記載の排気ディフューザ。
第１の角度が、タービンの最終段バケットのシュラウド先端から２５％子午線距離での変化範囲に対応する、請求項４記載の排気ディフューザ。
請求項１記載のディフューザを備えるタービン。
最終段バケットの先端と内部ケーシング又はシュラウドとの間のクリアランスが約５０〜２００ミルである、請求項９記載の排気ディフューザ。
前記クリアランスが約１２５〜１６０ミルである、請求項１０記載の排気ディフューザ。
タービンの排気を拡散する方法であって、当該方法が、
タービンの最終段バケットを超える先端漏れを利用して排気ディフューザの湾曲した排気流ガイド面に沿って境界層を付勢する段階
を含んでいて、湾曲した排気流ガイド面が、タービンの軸に対して第１の角度を含んでいるとともに約０．４５〜０．７０のガイド面軸方向長さと最終段バケットの有効長との比を含んでいる、方法。
ガイド面軸方向長さと有効長との比が約０．５５である、請求項１２記載の方法。
排気ディフューザの軸方向長さと有効長との比が約１．３５〜２．０である、請求項１３記載の方法。
ガイド面の湾曲が、第２の角度及び第３の角度を含んでおり、第１、第２及び第３の角度が、蒸気ガイドの２５％、５０％及び７５％の子午線距離でのその前の２５％子午線距離に対する角度の変化範囲に対応する、請求項１２記載の方法。
第１の角度の変化が０°〜１８°の範囲であり、第２の角度の変化が１４°〜３２°の範囲であり、第３の角度の変化が１６°〜３２°である、請求項１５記載の方法。
第２の角度が第１の角度よりも大きく、第３の角度が第２の角度よりも大きい、請求項１５記載の方法。
第２の角度と第３の角度がほぼ等しい、請求項１５記載の方法。
第１の角度が、タービンの最終段バケットのシュラウド先端から２５％子午線距離での変化範囲に対応する、請求項１５記載の方法。
最終段バケットの先端と内部ケーシング又はシュラウドとの間のクリアランスが約５０〜２００ミルである、請求項１２記載の方法。