JP2013221521A - タービンのクリアランス流れを低減する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バケットとタービンの筺体との間の流路のクリアランス流れを低減する方法を提供する。
【解決手段】この方法は、流路の単一の流れを、第１の流れと第２の流れに分離し、バケットへの全流量を増加させるよう第２の流れが第１の流れに再び合流するように第２の流れをバケットに向けて半径方向で内向きに導くことを含む。タービンは、内部ケーシングと、内部ケーシングの内部で軸方向に配置された回転可能なシャフトと、シャフトに接続された複数のバケットと、内部ケーシングに接続され内部ケーシングから半径方向で内側に突出する第１の歯であって、１つ以上のバケットとの間に第１の流体流路を形成する第１の歯と、第１の歯に対して平行に接続された第２の歯とを含む。軸方向の流体流路が、半径方向の流体流路と流体連通して第２の流体流路を形成する。
【選択図】 図１

Description

本開示の実施形態は、蒸気タービンに関する用途を対象とし、より具体的にはマージン段のバケットのクリアランス流れを減じるための装置に関する。

蒸気タービン技術の進歩により、効率及び発電能力が改善された。しかし、閉じた系では、蒸気流れがバケット先端とタービン筺体の内壁との間のバケットを通りすぎて漏出するので、多くの場合マージン段のバケットに損失がある。バケットの自由な回転を可能にするために、一定の最小限の物理的公差を考慮する必要があるので、バケットの物理的クリアランスを縮小することには一定限度の効果しかない。したがって、物理的クリアランスを縮小することなく蒸気流れの損失を低減するために、有効クリアランスを縮小する必要がある。

米国特許出願公開第２０１０／０３３０３９３号

以下は、対象の開示のいくつかの態様又は実施形態を説明する簡単な概要を提供するものである。この概要は、本開示の広範な概観ではない。実際、対象の開示の追加又は代替の実施形態は、概要で説明されたものに優って利用可能になる可能性がある。

本開示は、バケットとタービンの筺体との間の流路のクリアランス流れを低減する方法を対象とし、この方法は、流路の単一の流れを、第１の流れと第２の流れに分離する段階と、クリアランス流れを低減するよう第２の流れが第１の流れに再び合流し、したがってバケットを通る全流量を増加させるように、第２の流れをバケットに向けて半径方向で内向きに導く段階とを含む。この方法は、第２の流れの方向を、第１の流れに対して実質的に平行な方向から、第１の流れに対して実質的に垂直な方向になるように変化させることも含んでよい。第２の流れは、第１の歯と第２の歯の間に流路を形成することにより、半径方向で内向きに導かれてよく、第２の歯は第１の歯と平行に配置されており、第１の歯と第２の歯は互いにリブで接続されている。この流路は、第１の流れの入来方向に対して９０度の角、又は第１の流れの入来方向を指す角を成してよい。さらに、第２の流れは、バケットから上流に配置されたノズルの先端とタービンの筺体との間のクリアランスを通る流れから取得されてよい。

本開示は、バケットとタービンの筺体との間の流路のクリアランス流れを低減する方法も対象とし、この方法は、第１の流れ及び第２の流れを生成する段階と、クリアランス流れを低減するよう第２の流れが第１の流れに合流し、したがってバケットへの全流量を増加させるように、第２の流れをバケットに向けて半径方向で内向きに導く段階とを含む。第２の流れは、外部供給源から筺体の中に導入される、又はバケットの上流に配置された孔若しくは溝からノズル取付け台（コネクタ）を介して取得されてよく、孔若しくは溝は、周囲の流路にさらに接続されている。第２の流れの方向は、第１の流れに対して実質的に平行な方向から、第１の流れに対して実質的に垂直な方向へと変化されてよい。

本開示は、バケットを有するタービンの、内壁及び外壁を有する内部ケーシングも対象とし、この内部ケーシングは、内壁に接続され内壁から半径方向で内側に突出する第１の歯であって、バケットとの間に第１の流体流路を形成する第１の歯と、第１の歯に対して平行に接続され内壁との間に軸方向の流体流路を形成する第２の歯であって、第１の歯と第２の歯の間に半径方向の流体流路が形成され、軸方向の流体流路が半径方向の流体流路と流体連通して第２の流体流路を形成する第２の歯とを含む。第１の流体流路と第２の流体流路は結合されてよく、第１の流路は、第２の流路に対して実質的に９０度の角を成してよい。そのうえ、内壁とステータの間に流路が形成されてよく、第２の流路はステータから上流に形成される。

本開示は、内壁を有する内部ケーシングと、内部ケーシングの内部で軸方向に配置された回転可能なシャフトと、シャフトに接続された複数のバケットと、内壁に接続されて内壁から半径方向で内側に突出する第１の歯であって、第１の歯と１つ以上のバケットとの間に第１の流体流路が形成される第１の歯と、第１の歯に対して平行に接続され内壁との間に軸方向の流体流路を形成する第２の歯であって、第１の歯と第２の歯の間に半径方向の流体流路が形成され、軸方向の流体流路が半径方向の流体流路と流体連通して第２の流体流路を形成する第２の歯とを含んでなるタービンも対象とする。このタービンは、内部ケーシングの内部にステータをさらに含んでよく、ステータと内壁の間に、軸方向の流体流路が最初に形成される。

以下の説明は、添付図面とともに解読されると、よりよく理解される。

一実施形態によるタービンの概略図である。 一実施形態によるタービンの概略側面図である。 タービンのタービンバケット先端と内部ケーシングとの間の流路を示す本開示の実施形態の図である。 図３の流路を示し、入口ノズルを含む本開示の実施形態の図である。 ノズル取付け台を通る孔又は溝と、ノズル延長部とタービンの内部ケーシングとの間の空間とによって画成された流路の中を蒸気が流れる実施形態の図である。 第２の蒸気流れが外部供給源から導入される本開示の実施形態の図である。

次に、本発明のさまざまな実施形態が詳細に参照され、１つ以上の実例が図に示されている。各実例は、実施形態の説明として提供されるものであり、実施形態を限定する意味ではない。例えば、一実施形態の一部分として示された特徴が、他の実施形態に組み込まれてもよい。これにより、あらゆるこのような変更形態及び変形形態が含まれることが意図されている。

図１は、シャフト１４及び低圧（ＬＰ）タービン１６を含んでいるロータ１２を含む蒸気タービン１０の一部切欠斜視図である。ＬＰタービン１６は、軸方向に離隔された複数のロータホイール１８を含む。各ロータホイール１８には、複数のバケット２０が機械的に結合される。より具体的には、バケット２０は何列にも配置され、これらの列は、シャフト１４の周りで周囲に延在し、各ロータホイール１８の周りで軸方向に配置されている。複数の据置き型ノズル２２が、シャフト１４の周りで周囲に延在し、バケット２０の隣接した列の間で軸方向に配置されている。ノズル２２は、バケット２０と協働し、タービン段を形成し、且つタービン１０を通る蒸気流路の一部分を画成する。

動作においては、蒸気２４は、タービン１０の入口２６に入り、ノズル２２を通って導かれる。ノズル２２は、バケット２０に対して蒸気２４を下流に導く。蒸気２４は、残りの段を通り、バケット２０に力を与え、ロータ１２を回転させる。タービン１０の１つ以上の終端は、ロータ１２から離れて軸方向に延在してよく、負荷或いは発電機及び／又は別のタービンなどであるがこれらに限定されない機械類（図示せず）に取り付けられてよい。したがって、大きな蒸気タービン装置は、実際には同一のシャフト１４に同軸に結合されているいくつかのタービンを含んでよい。このような装置は、例えば、低圧タービンに結合されている中圧タービンに結合された高圧タービンを含んでよい。上記で説明された構成は蒸気タービン１０の構成の実例であり、当業者に公知の他の構成が可能であることが理解される。

図２は、タービン１０とともに使用され得るタービンバケット２０の斜視図である。バケット２０は、後縁１０４及び前縁１０６を含んでいるブレード部分１０２を含み、蒸気は、全体的に前縁１０６から後縁１０４へと流れる。バケット２０は、第１の凹形の側壁１０８及び第２の凸形の側壁１１０も含む。第１の側壁１０８と第２の側壁１１０は、後縁１０４及び前縁１０６において軸方向に接続され、ロータブレードの根元１１２とロータブレードの先端１１４との間で半径方向に延在する。ブレードの翼弦距離１１６は、ブレード部分１０２の半径方向の全長１１８に沿った任意のポイントで、後縁１０４から前縁１０６に向けて測定された距離である。一実施形態では、半径方向の全長１１８はおおよそ５２インチでよいが、半径方向の全長１１８は所望の用途次第で変化し得ることが理解されよう。根元１１２は、バケット２０をシャフト１４に沿ってロータディスク１２２に結合するのに使用されるダブテール１２１と、各バケット２０を通る流路の一部分を決定するブレードプラットフォーム１２４とを含む。一実施形態では、ダブテール１２１は、ロータディスク１２２の中に画成された、嵌合スロット１２５と係合する湾曲した軸方向の進入ダブテールである。しかし、まっすぐな軸方向の進入ダブテール、角を成す軸方向の進入ダブテール、又はその他の適切なタイプのダブテール構成を含む他の実施形態が可能であることが理解されよう。

一実施形態によれば、第１の側壁１０８及び第２の側壁１１０のそれぞれには、ブレード根元１１２とブレードの先端１１４との間に配置され、隣接したバケット２０を互いに結合するのに使用される、ブレード中間の接続ポイント１２６が含まれる。ブレードの中間で接続すると、根元１１２と先端１１４の間の中間領域におけるバケット２０の振動応答の改善が容易になり得る。ブレード中間の接続ポイントは、中間スパンシュラウド又は部分スパンシュラウドとも称されることがある。部分スパンシュラウドは、ブレードプラットフォーム１２４から測定して、半径方向の全長１１８の約４５％から約６５％のところに配置されてよい。

図３を参照すると、本開示の実施形態が示されている。半径方向で内向きの流れを導入することにより、マージン段のバケットのクリアランス流れが減少し、それによって有効クリアランスサイズが縮小される。バケット２０には、先端カバー１６８が取り付けられている。先端カバーは、単一のバケット２０にわたって個別のものでよく、又は複数のバケットの上部にわたって一体化されてもよい。先端カバー１６８と内部ケーシング１６０の内部とで、蒸気が流れ得るブラケットによって輪郭づけられた流路１５５を形成する。内部ケーシング１６０には、先端カバー１６８に向かって流路１５５の中へ全体的に垂直に突出する歯１６２が取り付けられている。歯１６２は、任意の適切なタイプの金属又は他の材料で作製されてよく、内部ケーシング１６０と類似の材料でよい。第２の歯１７０は、流路１５５に挿入され、リブ１６３によって歯１６２に接続されてよい。第２の歯１７０は、第１の歯１６２と第２の歯１７０の間に垂直な流路１６４が形成されるように設置されてよい。第１の歯１６２と第２の歯１７０を接続する際に、リブ１６３は、第２の歯１７０を固定するのと同時に、蒸気が垂直な流路１６４を通って流れるのを可能にするのに十分である。垂直な流路１６４を通る蒸気流れは、Ｓ２として示されている。流路１５５の中で、第１の歯１６２、第２の歯１７０、及びリブ１６３を伴う構造体とバケットカバー１６８の上部との間の空間に第２の流路１６６が形成される。蒸気は第２の流路１６６を通って流れることも可能であり、第２の流路１６６に入る流れはＳ１として示されている。第２の歯１７０は、内部ケーシング１６０にも取り付けられてよい。第１の歯１６２及び第２の歯１７０は単なる例示であり、この開示の範囲内の垂直な流路１６４に関する他の設計があり得る。

図４は、さらなる特徴を付加した図３の実施形態を示す。例えば、バケット２０の基部は、シャフト１４に接続して示されている。さらに、ノズル２２２が、ノズルコネクタ１９８を介して内部ケーシング１６０の内部に接続して示されている。蒸気タービン１０の動作においては、蒸気がノズル２２２を介してタービン１０の中に導入され、バケット２０及びシャフト１４を回転させるためのエネルギーを供給する。

例えばタービン１０の低圧区間の最後段といったマージン段のバケット２０の終端には、Ｓ１として示された蒸気流れのための余地がある。その蒸気流れＳ１は、一般に漏洩流れと称され、先端カバーと内部ケーシングの間の物理的オープンスペースを通るバケットの両端の圧力差によって駆動されるものである。リブ１６３を介して歯１６２に接続された第２の歯１７０の組合せが、第２の蒸気経路Ｓ２を形成する半径方向の流体ジェットを生成する。Ｓ２が垂直な流路１６４から流れて下流に向かうとき、Ｓ２の蒸気は流れの反転のために圧力が上昇し、それによってＳ１の流れを押さえつける。Ｓ１の流れを押さえつけることには、バケット先端カバー１６８と内部ケーシング１６０の間の空間を通る全体のクリアランス流れを低減する技術的効果がある。Ｓ２の流れは、Ｓ１の流れに対して実質的に垂直な角度に方向を変えて示されている。或いは、Ｓ２の流れは、収束するところでのＳ１の流れとＳ２の流れの間の角度が９０度より大きくなるように方向を変えられてよく、これは、Ｓ２の流れが第１の流れの入来方向を指す角度に方向を変えられてよいことを意味する。

図４の例示的実施形態により、実用的な流れ条件を用いてシミュレートされた実験に基づいて、クリアランス流れが８％だけ低減され得る。

図５は、本開示の代替実施形態を示す。Ｓ２がノズル２９０の上流から導入される、ノズル先端２９８及びバケット２０を有するノズル２９０から成る完全な段が示されている。Ｓ２の流路は、孔／溝が、ノズル取付け台（又はコネクタ）２６３を通って生成され、次いで、内部ケーシング２６０とバケット２０の先端カバー１６８に向かって半径方向で内側に曲がるノズル延長部２６４との間のオープンスペースに接続されるようなやり方で形成される。ノズル２９０の上流の圧力がＳ１における圧力より高いので、Ｓ２は、クリアランス流れを低減するために、Ｓ１と出会うところで反転するとき、Ｓ１をさらに押さえつけてよい。本開示のこの実施形態を含んでいない一般的な設計と比較して、クリアランス流れが約２６％低減することがシミュレーションによって示された。

図６は、蒸気流れＳ２の供給源が、蒸気流れＳ１と結合される以前はタービン１０の外部にある、図４の代替実施形態を示す。バケット２０の基部は、シャフト１４に接続して示されている。ノズル３２２が、ノズルコネクタ３９８を介して内部ケーシング１６０の内部に接続して示されている。蒸気タービン１０の動作においては、蒸気がノズル３２２を介してタービン１０の中に導入され、バケット２０及びシャフト１４を回転させるためのエネルギーを供給する。

例えばタービン１０の低圧側の最後段といったマージン段のバケット２０の終端には、Ｓ１として示された蒸気流れのための余地がある。バケット２０は先端３６８を有し、その上をＳ１が流れる。第２の流体ジェット３７０は、第２の蒸気経路Ｓ２を形成する、延長部が突出している内部ケーシング３６０を通る溝によって形成される。外部蒸気経路は、任意の外部供給源からのものでよく、又は別の出口からタービン１０の中に再導入されてもよい。流体ジェット３７０による蒸気経路Ｓ２が、蒸気流れＳ１に対して半径方向で内向きに圧力をかけ、Ｓ２の圧力がＳ１を押さえつける。その結果として、バケット２０と比較して、先端カバー１６８において流路を通る流れの割合が低減され、それによって有効クリアランスが縮小する。

本発明は蒸気タービンの最終段に適用可能であり得るが、他の段にも同様に適用可能であり得ることを理解されたい。実例のクリアランス低減は単なる例示であって、限定する意味は全くないことも理解されたい。流れの方向を半径方向で内向きに変えることにより、内部又は外部で生成されるタービンの最終段バケットへの流れを増加させるその他の構成も、本開示の範囲に含まれると見なされることも理解されたい。本開示が蒸気タービンに関して説明されてきたが、他のタイプのターボ機械、タービン、圧縮機又はポンプも、本開示の範囲に含まれるものと見なされてよい。

さまざまな図のさまざまな実施形態に関して、他の類似の実施形態を用いてよいこと、又は説明された実施形態に対して変更形態及び追加形態が作製され得ることを理解されたい。この明細書は、最良の形態を含めて本発明を開示するために、また、任意の当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作して使用すること、並びにあらゆる具体化された方法を実行することを含めて本発明を実施することも可能にするために、そのような実例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に想起される他の実例を含み得る。そのような他の実例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構成要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文言と実質的ではない相違点を有する均等な構成要素を含む場合には、特許請求の範囲に含まれるように意図されている。したがって、タービンのクリアランス流れを低減するための装置、システム及び方法は、いかなる単一の実施形態にも限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲に従う範囲において解釈されるべきである。

１０ タービン
１２ ロータ
１４ シャフト
１６ 低圧タービン
１８ 軸方向に離隔されたロータホイール
２０ バケット
２２ ノズル
２４ 蒸気
２６ 入口
１０２ ブレード部分
１０４ 後縁
１０６ 前縁
１０８ 第１の側壁
１１０ 第２の側壁
１１２ ロータブレードの根元
１１４ ロータブレードの先端
１１６ ロータブレードの翼弦距離
１１８ 半径方向の全長
１２１ ダブテール
１２２ ロータディスク
１２４ ブレードプラットフォーム
１２５ 嵌合スロット
１２６ ブレード中間の接続ポイント
１５５ 流路
１６０ 内部ケーシング
１６２ 第１の歯
１６３ リブ
１６４ 垂直な流路
１６６ 第２の流路
１６８ 先端カバー／バケットカバー
１７０ 第２の歯
１９８ ノズルコネクタ
２２２ ノズル
２６０ 内部ケーシング
２６３ ノズル取付け台
２６４ ノズル延長部
２９０ ノズル
２９８ ノズル先端
３２２ ノズル
３６０ 内部ケーシング
３６８ 先端
３７０ 流体ジェット
３９８ ノズルコネクタ

Claims (20)

1. バケットとタービンの筺体との間の流路のクリアランス流れを低減する方法であって、
   第１の流れ及び第２の流れを生成し、
   前記クリアランス流れを低減するよう前記第２の流れが前記第１の流れに合流し、その結果前記バケットを通る全流量を増加させるように、前記第２の流れを前記バケットに向けて半径方向で内向きに導くこと
   を含んでなる方法。
2. 単一の流れが、前記第１の流れと第２の流れに分離される、請求項１記載の方法。
3. 前記第２の流れの方向が、前記第１の流れに対して実質的に平行な方向から、前記第１の流れに対して実質的に垂直な方向へと変化される、請求項２記載の方法。
4. 前記第２の流れの方向が、前記第１の流れに対して実質的に平行な方向から、前記第１の流れと前記第２の流れが収束するところで測定すると前記第１の流れと前記第２の流れの間に９０度より大きい角を成す方向へと変化される、請求項２記載の方法。
5. 前記第２の流れが、第１の歯と第２の歯の間に流路を形成することにより、半径方向で内向きに導かれ、前記第１の歯と前記第２の歯がリブによって互いに接続される、請求項２記載の方法。
6. 前記流路が、前記第１の流れに対して９０度以上の角を成す、請求項５記載の方法。
7. 前記第２の流れが、バケット先端カバーと前記タービンの内部ケーシングとの間のクリアランスを通る流れから取得される、請求項５記載の方法。
8. 前記第２の流れが、外部供給源から前記筺体の中に導入される、請求項１記載の方法。
9. 前記第２の流れが、前記バケットから上流に配置されたノズルの先端と前記タービンの内部ケーシングとの間のクリアランスから取得される、請求項１記載の方法。
10. 前記第２の流れの方向が、前記第１の流れに対して実質的に平行な方向から、前記第１の流れに対して実質的に垂直な方向になるように変化される、請求項９記載の方法。
11. 前記第２の流れの方向が、前記第１の流れに対して実質的に平行な方向から、前記第１の流れと前記第２の流れが収束するところで測定すると前記第１の流れと前記第２の流れの間に９０度より大きい角を成す方向へと変化される、請求項９記載の方法。
12. バケットを有するタービンの、内壁及び外壁を有する内部ケーシングであって、
    前記内壁に接続され前記内壁から半径方向で内側に突出する第１の歯であって、前記バケットとの間に第１の流体流路を形成する第１の歯と、
    前記第１の歯に接続され前記内壁との間に軸方向の流体流路を形成する第２の歯であって、前記第１の歯と前記第２の歯の間に半径方向の流体流路が形成され、前記半径方向の流体流路が前記第１の流体流路と流体連通して第２の流体流路を形成する第２の歯と
    を含んでなる内部ケーシング。
13. 前記第１の流体流路と前記半径方向の流体流路が、前記バケットに近接して結合される、請求項１２記載の内部ケーシング。
14. 前記第１の流路が、前記第２の流路に対して実質的に９０度の角を成す、請求項１２記載の内部ケーシング。
15. 前記第１の流路が、前記第２の流路に対して９０度以上の角を成す、請求項１２記載の内部ケーシング。
16. 前記内壁とノズルの間に流路が形成され、前記第２の流路が前記ノズルから上流に形成される、請求項１２記載の内部ケーシング。
17. 内壁を有する内部ケーシングと、
    前記内部ケーシングの内部で軸方向に配置された回転可能なシャフトと、
    前記シャフトに接続されそれぞれが先端を有する複数のバケットと、
    前記内部ケーシングと前記バケットの前記先端との間に形成された軸方向の流体流路と、
    前記軸方向の流体流路と流体連通した半径方向の流体流路であって、前記軸方向の流体流路に対して９０度以上の角を成す半径方向の流体流路と
    を含んでなるタービン。
18. 前記軸方向の流体流路が、１つ以上のバケット先端と、前記内壁に接続され前記内壁から半径方向で内側に突出する第１の歯とによって画成され、第２の流体流路が、第２の歯と前記内壁とによって画成され、前記第１の歯と前記第２の歯の間に半径方向の流体流路が形成される、請求項１７記載のタービン。
19. 前記内部ケーシングの内部のノズルをさらに含み、前記ノズルと前記内壁の間に前記軸方向の流体流路が最初に形成される、請求項１７記載のタービン。
20. 前記半径方向の流体流路が、前記内部ケーシングを通り、前記１つ以上のバケットの前記先端に向かって半径方向に突出する、請求項１７記載のタービン。