JP2013249833A - 蒸気タービンにおける固体粒子エロージョンを最小限にする装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービンの構成要素における固体粒子エロージョンを効果的に最小限にする装置を提供すること。
【解決手段】ダイヤフラムの外側リングの付属部に形成された角度の付いたスロットを通して迂回させ、それにより蒸気流路からの蒸気の一部が下流にある回転構成要素を迂回することにより、蒸気タービンにおける固体粒子エロージョンが最小限になる。第１段の付属部を通るスロットは、迂回した固体粒子含有蒸気が蒸気流路から抽出され、タービンの給水加熱器に渡されてもよいように、次の段の下流の外側リングを通る通路と連通している。第２段の付属部のスロットは、第１段と第２段との間からかつ第２段の周囲で蒸気を迂回させる。それにより、バケットの表面に沿った種々の領域すなわち静翼の後縁において、かつカバー並びにバケット及びシールデバイスとのその連結部の領域において、固体粒子エロージョンが最小限になる。
【選択図】図５

Description

本発明は、蒸気タービンの構成要素における固体粒子エロージョンを最小限にする装置に関し、詳細には、例えばタービンバケットへの損傷を最小限にするために、蒸気流路から固体粒子を除去する装置に関する。

タービンの上流の蒸気ボイラ及び蒸気配管からの粒子の持越しにより、蒸気タービンの構成要素の固体粒子エロージョンが生じる。固体粒子は蒸気流路内で同伴される。粒子は、蒸気タービンを通過すると、タービンの静止部品と回転部品の両方に損傷を与えて蒸気タービンの性能及び機械的信頼性を低下させる。固体粒子は蒸気経路の全体にわたって堆積する可能性もあるし、蒸気経路を出て、サイクルの給水加熱器に送り込まれる蒸気抽出物に入る可能性もある。しかし、粒子は、蒸気タービンの蒸気経路を通る主蒸気流により運ばれるので、堆積されるか又は主蒸気流から排出される前に、蒸気経路に沿ってかなりの損傷を与える機会がある。この損傷には、回転及び静止バケット並びに隔壁それぞれのエロージョンと、回転チップカバー又はテノンのエロージョンと、こぼれ止めなどのチップシールデバイスのエロージョンと、回転バケットのチップ上方の静止構造物のエロージョンとが含まれる可能性がある。

図１を参照すると、従来の蒸気タービンの通常の蒸気タービン段が示されており、全体を符号１０で示す。蒸気タービンの２つの段、例えば、全体を符号１２で示す第１段及び全体を符号１４で示す第２段が示されている。第１段１２は、内側ウェブ１８と、外側リング２０と、それらの間の複数の周方向に離隔した複数の静翼又は隔壁２２とを有するダイヤフラム１６を含む。第１段は、ロータ２６に固定されたバケット２４も含む。バケット２４のチップは、外側リング２０の軸方向に延在する付属部３０に形成されたシールデバイス２８を通過して回転する。第１段のダイヤフラムの内側ウェブ１８は、この例ではロータ２６の周囲をシールするラビリンスシール歯３４が取り付けられたシール部分３２を含む。第２段１４は類似しており、ダイヤフラム３６と、内側ウェブ３８と、外側リング４０と、それらの間に配設され、互いに周方向に離隔した複数の隔壁４２とを含み、外側リング４０は、ロータ２６に取り付けられたバケット４６のチップを覆う付属部４４を有する。蒸気がロータ２６を回転させながら矢印４８の方向に図示の段を通って流動し、それにより、有用な仕事が蒸気タービンから生み出されることを可能にすることは理解されよう。

種々の装置及び方法が提案され、蒸気タービンの回転部品及び静止部品への固体粒子の影響を最小限にするために利用されてきた。例えば、米国特許第４７７６７６５号では、隔壁の負圧面側の一部分の上方に保護デバイスが配設されており、バケットの前縁からの粒子の跳返りによる隔壁の後縁の固体粒子エロージョンを防止する。蒸気タービンにおける固体粒子エロージョンを最小限に抑制又は解消する他の装置及び方法が、米国特許第４７０４３３６号及び米国特許第４６１５７３４号において開示されているものなどの固体粒子エロージョン耐性のコーティングを含む。

付加的な従来の装置が図２及び図３に示されており、図１に示されている従来の蒸気タービン構造の場合と同様の参照番号が、同様の部品に付されている。この装置は、下流の蒸気経路構成要素への損傷を最小限にするために、主蒸気流から固体粒子の一部を除去することを提供する。一般に、構成部品に穴部及び通路が設けられており、蒸気の一部、及びしたがって回転部品の周囲の蒸気により運ばれている固体粒子を迂回させる。詳細には、穴部６０を通して蒸気経路を流れる蒸気の一部を迂回させるために、１以上の穴部６０が付属部３０に設けられている。穴部６０は、第１段のバケット２４の上流にある入口開口部６４と、シールデバイス６８の反対側の第２の部分６６とを含む。通路７０が、穴部６４、６６と連通しているシール部分６８を通って延在していて回転部品の周囲の蒸気を迂回させるために付属部３０に貫通路を構成する。図示の通り、穴部６６は、第２段の外側リング４０を通って蒸気抽出通路７３上へ延在する通路７２内へ出る。

この装置に関連する１つの短所は、粒子が入口開口部６４に容易に進入しないことである。換言すれば、入口開口部に隣接したダイヤフラム表面の形状は、粒子を入口開口部へ効果的に方向付けない。したがって、遠心作用により入口開口部付近で推進された粒子が、回転バケットのカバーの下に依然として堆積することが多く、それにより、回転バケットの機械的健全性が低下する。

さらに、粒子が入口開口部６４に首尾よく進入した場合でも、それらは、穴部６０を容易に通過しない。遠心作用により、粒子は、入口開口部６４の方へ径方向外側に移動するが、穴部６０は、入口開口部６４に対して垂直に配置されていて粒子は穴部６０内へ急旋回する必要がある。したがって、穴部６０を通る粒子の通過がこの構成により妨げられる。

固体粒子エロージョンを最小限に抑制又は解消する上記その他の多くの取組みが従前試みられてきたが、蒸気タービンにおける固体粒子エロージョンは依然として蒸気経路に沿った種々の部品の問題である。したがって、蒸気タービンの構成要素の固体粒子エロージョンを効果的に最小限にするデバイスが必要である。

米国特許第７２９６９６４号

ある例示的で非限定的な実施形態では蒸気タービンが提供され、この蒸気タービンは、内側ウェブ、外側リング、及びそれらの間の複数の静翼を有するダイヤフラムを含む第１段であって、外側リングは、該タービン段の一部をなすバケットのチップを覆う軸方向下流の付属部を有しており、バケットが上流側と下流側とを有していて、蒸気が、バケットの上流側から下流側に向かう第１の方向に段を流れる、第１段と、該タービン段のバケットの上流の蒸気流路内の蒸気の一部を分岐して第１段のバケットを迂回させるため付属部の表面に形成された１以上のスロットとを備える。

別の例示的で非限定的な実施形態では、蒸気タービンが提供され、この蒸気タービンは、内側ウェブ、外側リング、及びそれらの間の複数の静翼を有するダイヤフラムを含む段であって、外側リングは、該タービン段の一部をなすバケットのチップを覆う軸方向下流の付属部を有しており、バケットが上流側と下流側とを有していて、蒸気が、バケットの上流側から下流側に向かう第１の方向に段を流れる、段と、該タービン段のバケットの上流の蒸気流路内の蒸気の一部を分岐してタービン段のバケットを迂回させるため付属部に形成された１以上の通路とを含み、ダイヤフラムは、静翼とバケットとの間にありかつ通路に隣接した表面を含み、該ダイヤフラムの表面は蒸気流の第１の方向に対して傾斜して延在しており、粒子を通路の方へ推進させる。

添付図面は、本技術の種々の例を理解し易くする。

蒸気タービンの通常の段の幾何図形的配置及び機能の概略図である。 蒸気経路内の固体粒子を迂回させる既知のデバイスを示す、図１に類似した図である。 図２の線３−３に沿った横断面図である。 番号を付した楕円で示されている領域が、タービンにおける固体粒子エロージョンにより生じる通常の損傷を示している、図１に類似した図である。 開示されている技術の好適な態様による、蒸気経路内の固体粒子を迂回させるデバイスを示す、蒸気タービンの段の幾何図形的配置の概略図である。 ダイヤフラム付属部、例えば第１段のダイヤフラム付属部、及び蒸気流のバイパス部分を示すシールデバイスの拡大部分概略図である。 図６の線７−７に沿った横断面図である。 第１段及び第２段から分岐した蒸気部分を示す、蒸気タービンの第２段の部分概略図である。 迂回させた蒸気の出口通路を示す、蒸気タービンの第２段のダイヤフラム付属部の拡大概略図である。

図４を参照すると、前述の通り、蒸気経路内を流動している固体粒子が、タービンの種々の構成要素をエロージョンして性能及び効率性の低下を引き起こす傾向がある。図４に（１）で示されている領域は隔壁の後縁を構成する。領域（１）における固体粒子エロージョンが、静翼の機械的健全性に深刻な影響を及ぼす可能性があり、強制応答現象により動翼の機械的健全性に影響を及ぼしかつ静翼面積の増加、スロート形状、及び流動角度劣化により段性能を低下させる可能性がある。図４の領域（２）は、チップシールデバイス、例えばデバイス２８への固体粒子エロージョンによる蒸気のチップ漏出が増加した領域を示す。図４の領域（３）は、回転バケットのカバーの下に遠心作用により固体粒子が堆積される領域を示す。そのような堆積は、回転構造物の応答を変化させることにより回転バケットの機械的健全性を低下させる可能性がある。これらの堆積は、チップ付近で回転蒸気経路を閉塞することにより性能を低下させる可能性がある。

図４の領域（４）が、カバー及びテノンの結合部においてそれらの機械的健全性に深刻な影響を及ぼす、テノンとカバーとの間の固体粒子エロージョンを示す。例えば、長期間にわたる固体粒子への暴露が、それらの機械的健全性が低下するほどまで、テノン、カバー、又は両方をエロージョンする可能性があり、機械の故障を招く可能性がある。、領域（３）におけるチップシールデバイスのエロージョンと組み合わさったカバー及びテノンのエロージョンは、チップ漏出の増加により、段性能及び効率性を低下させる可能性がある。図４の領域（５）では、固体粒子エロージョンが、通常の外側リング縮小領域に損傷を生じさせ、チップシールデバイス保持の機械的健全性に影響を及ぼす可能性がある。固体粒子エロージョンは、図４の領域（６）に示されている通り、バケット表面自体に損傷を生じさせる可能性がある。バケット表面への損傷が、動翼の表面粗さの増大により、段性能を低下させる可能性がある。上述から、固体粒子エロージョンが様々に特定される蒸気タービン構成要素の性能及び効率性にかなりの損傷を与える可能性があること、部品耐用年数に深刻な影響を及ぼす可能性があることは理解されよう。

図５を参照すると、図１〜図３に示されている従来の蒸気タービン構造の場合と同様の参照番号が同様の部品に付されており、開示されている技術は、下流の蒸気経路構成要素への損傷を最小限にするために、主蒸気流から固体粒子の一部をより効果的かつ効率的に除去することを提供する。別の機能が、チップシールデバイス保持へのエロージョンの損傷を最小限にすることである。

より詳細には、図５〜図７を参照すると、開示されている技術のある態様が、スロット１６０を通して蒸気経路を流れる蒸気の一部を迂回させるため付属部１３０に１以上のスロット１６０を設けている。付属部１３０は、輪１２０と一体化していても、又はそれに取り付けられている別個の部品であってもよいことは理解されよう。スロット１６０は、付属部１３０の下面１３２に形成された。スロット１６０は、その段、例えば第１段、のバケット２４の上流にある開口部１６４を含む。ダイヤフラム１１６は、スロット１６０に隣接した表面１１８を含む。表面１１８は、粒子をスロット１６０の方へ推進させるために傾斜している。例えば、表面１１８は、蒸気流１４８の方向に対して傾斜している。遠心作用により、表面１１８の上流部分上に配置される粒子が、スロットの開口部１６４の下流にある表面１１８に沿って移動する。したがって、傾斜した表面１１８は、粒子が開口部１６４により容易に進入することを可能にする。

さらに、スロット１６０は、ダイヤフラムの表面に開いた溝部として形成されているので、粒子がスロット１６０内へ９０°の急旋回をする必要がないので、それらがスロットに沿ってより容易に通過する可能性がある。すなわち、粒子は、後述の通り蒸気流１４８の方向に延在する方向成分を有するスロット１６０に直接進入する可能性がある。

スロット１６０は、シールデバイス１６８の両側にある２つの部分１６４及び１６６に分割される。シールデバイスは、ばね又は回転バケット２４のチップの周囲をシールするラビリンスシール歯を支える蒸気付勢式シール部分を含んでいてもよい。このように、通路１７０が、スロット部分１６４及び１６６と連通しているシール部分１６８を通って延在していて回転部品すなわちその段のバケット２４の周囲の蒸気を迂回させるため付属部１３０に貫通路を構成している。図６及び図７に示されている通り、スロット１６０は方向１６７に延在する。方向１６７は、蒸気流１４８の方向及びロータ２６の回転１５０の方向の両方に対して傾斜している。さらに、図７から分かるように、スロット１６０の方向１６７は、蒸気流１４８の方向及びロータ２６の回転の周方向のどちらにも延在する方向成分を有する。

ロータ２６の回転により、スロット１６０に進入する前の粒子の動きの１以上の方向成分が、回転１５０の方向の周方向である。粒子の動きは、蒸気流１４８の方向の方向成分を有する。したがって、スロット１６０の方向１６７は、粒子の動きの方向成分に共通しているロータの回転１５０の方向及び蒸気流１４８の方向に方向成分を有する。スロット１６０のこの装置により、スロット１６０を通して粒子を流すことを助ける際に、開口部１６４に進入する前の粒子の運動量がより良く利用されることが可能になる。本質的に、スロット１６０を通って移動する際に粒子に必要な分岐は、先行技術デバイスと比較してそれほど厄介ではなく、それにより、粒子にスロット１６０を通過させる際のデバイスの有効性が高まる。

図示の通り、スロット部分１６６は、次の段、例えば第２段、の外側リング１４０を通って延在する通路１７２内に出る。通路１７２は、（図９に示されている通り）矢印１７３で示されている蒸気抽出通路へ、固体粒子が排出されることになる給水加熱器又は図示されていない他の外部連結部へ出る。図５〜図９は、穴部、通路及び通路が蒸気タービンの底部に配置されており固体粒子の集結並びに蒸気経路からのかつ回転部品の周囲でのそれらの除去及び迂回を容易にするように、標準的な慣習により、反転されることは理解されよう。

図８及び図９を参照すると、下流、例えば蒸気タービンの第２段のための同様の装置が、第２段１４の回転部品の周囲で蒸気流路内の固体粒子を迂回させるために提供される。具体的には、下流、例えば第２段、の付属部１４４は、開口部１８２と出口部１８４とを有するスロット１８０を含む。該スロットは付属部１４４の下面１９８に形成された。ダイヤフラム１３６は、スロット１８０に隣接した表面１８７を含む。表面１８７は、粒子をスロット１８０の方へ推進させるために傾斜している。同様に、第１段の迂回と同様に、下流の段のシールデバイス１８６は、スロット１８０と連通している通路すなわち穴部１８８を含み、それにより、蒸気経路内の残留固体粒子含有蒸気が、出口部１８４を通って抽出通路１７３へ、給水加熱器又は他の外部連結部へ退出するために、スロット１８０及び穴部１８８を通って開口部１８２内へ流動してもよい。抽出穴部、通路及び通路を設け、それらをタービンの底部に配置することにより、蒸気経路内の固体粒子のかなりの部分が、その段の回転部品及び固定構成要素のいくつかの周囲で迂回し、タービン部品の固体粒子エロージョンを最小限にすることができる。

現在最も実践的かつ好適な例と考えられるものに関連して本発明を記載したが、本発明が開示された例に限定されず、反対に、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲内に含まれる種々の修正形態及び等価の装置を包含することが意図されていることは理解されよう。

１０ 蒸気タービン段
１２ 第１段
１４ 第２段
１６、３６、１１６、１３６ ダイヤフラム
１８、３８ 内側ウェブ
２０、４０、１４０ 外側リング
２２、４２ 隔壁
２４、４６ バケット
２６ ロータ
２８、１８６ シールデバイス
３０、４４、１３０、１４４ 付属部
３２ シール部分
３４ シール歯
４８ 矢印
６０、１８８ 穴部
６４ 入口開口部
６６ 第２の部分
６８、１６８ シール部分
７０、１７０ 通路
７２、１７２ 通路
７３、１７３ 蒸気抽出通路
１１８、１８７ 表面
１２０ 輪
１３２、１９８ 下面
１４８ 蒸気流の方向
１５０ 回転の方向
１６０、１８０ スロット
１６４、１８２ スロットの開口部
１６６ スロット部分
１６７ スロットの方向
１８４ 出口部

Claims (20)

1. 内側ウェブと外側リングとそれらの間の複数の静翼とを有するダイヤフラムを含む第１段であって、外側リングが、当該タービン段の一部をなすバケットのチップを覆う軸方向下流の付属部を有しており、バケットが上流側と下流側とを有していて、蒸気がバケットの上流側から下流側に向かう第１の方向に段を流れる、第１段と、
   タービン段のバケットの上流の蒸気流路内の蒸気の一部を分岐して第１段のバケットを迂回させるため付属部の表面に形成された１以上のスロットと、
   バケットチップの周囲をシールするため付属部の第１の位置で支持されたシールデバイスと
   を備える蒸気タービンであって、前記１以上のスロットが、付属部の表面内を第１の位置の下流の位置まで延在している、タービン。
2. 前記１以上のスロットが、第１の方向に対して傾斜していて、蒸気タービンの周方向及び軸方向の両方向に延在している、請求項１記載のタービン。
3. 前記シールデバイスを貫通する通路であって付属部のスロットと連通してタービン段のバケットの周囲に分岐した蒸気部分を迂回させる通路をさらに含む、請求項１記載のタービン。
4. 前記シールデバイスが付属部の軸方向範囲の中間位置にあって、付属部のスロットが、前記シールデバイスを貫通する通路の両側の２つのスロット部分に分割されている、請求項３記載の蒸気タービン。
5. 付属部のスロットが、第１段の底部に隣接して配置される、請求項１記載のタービン。
6. 第１段の下流の第段であって、内側ウェブと外側リングとそれらの間の複数の静翼とを有するダイヤフラムを含む第２段をさらに含んでおり、第２段が、その外側リングを通る通路であって、第１段の付属部を通るスロットと連通して、分岐した蒸気部分を蒸気経路の外側で第２段を迂回させながら流す通路を含む、請求項１記載のタービン。
7. 蒸気経路から迂回させられかつ第２段の通路を流れる蒸気を受け入れる抽出通路をさらに含む、請求項６記載のタービン。
8. 第２段の外側リングは、第２段の一部をなすバケットのチップを覆う軸方向下流の付属部を含み、第２段の静翼及びバケットの上流の位置で蒸気経路からの蒸気の第２の部分を迂回させ、それにより第２段のバケットの周囲で第２の分岐した蒸気部分を迂回させるために、１以上のスロットが第２段の付属部に形成された、請求項６記載のタービン。
9. 第２段の付属部で支持された第２のシールデバイスと、第２のシールデバイスを通って第２の付属部のスロットと連通して形成されている通路であって、蒸気の第２のバイパス部分を第２段のバケットを迂回するように流す通路とをさらに含む、請求項８記載のタービン。
10. 第２の分岐した蒸気部分は、第１段と第２段との間の位置で蒸気経路から抽出される、請求項８記載のタービン。
11. ダイヤフラムは、静翼とバケットとの間のかつスロットに隣接した表面を含み、ダイヤフラムの表面は、蒸気流の第１の方向に対して傾斜している、請求項１記載のタービン。
12. 蒸気タービンであって、
    内側ウェブと外側リングとそれらの間の複数の静翼とを有するダイヤフラムを含む段であり、
    外側リングは、タービン段の一部をなすバケットのチップを覆う軸方向下流の付属部を有しており、バケットが上流側と下流側とを有していて、蒸気が、バケットの上流側から下流側に向かう第１の方向に段を流れる、段と、
    タービン段のバケットの上流の蒸気流路内の蒸気の一部を分岐してタービン段のバケットを迂回させるため付属部に形成された１以上の通路と
    を備え、
    ダイヤフラムは、静翼とバケットとの間にありかつ通路に隣接した表面を含み、ダイヤフラムの表面は、蒸気流の第１の方向に対して傾斜しており粒子を通路の方へ推進させる、
    タービン。
13. １以上の通路は、蒸気タービンの周方向及び軸方向のどちらにも延在するために、第１の方向に対して傾斜して延在する、請求項１２記載のタービン。
14. １以上の通路は、付属部の表面に形成された１以上のスロットである、請求項１３記載のタービン。
15. バケットチップの周囲をシールするため付属部の第１の位置で支持されたシールデバイスをさらに含み、１以上のスロットは、第１の位置の下流の位置まで付属部の表面に延在する、請求項１４記載のタービン。
16. シールデバイスを通ってかつ付属部のスロットと連通して形成されている通路であって、タービン段のバケットの周囲で蒸気のバイパス部分を迂回させる通路をさらに含む、請求項１５記載のタービン。
17. シールデバイスが付属部の軸方向範囲の中間位置にあって、付属部のスロットは、シールデバイスを貫通する通路のそれぞれ両側で２つのスロット部分に分割される、請求項１６記載の蒸気タービン。
18. 付属部の通路は第１段の底部に隣接して配置される、請求項１２記載のタービン。
19. 第１段の下流にあり、かつ内側ウェブと外側リングとそれらの間の複数の静翼とを有するダイヤフラムを含む第２段をさらに含み、第２段は、第１段の付属部を通るスロットと連通している、外側リングを通る通路であって、分岐した蒸気部分を蒸気経路の外側で第２段を迂回させながら流す通路を含む、請求項１２記載のタービン。
20. 蒸気経路から迂回させられかつ第２段の通路を流れる蒸気を受け入れる抽出通路をさらに含む、請求項１９記載のタービン。