JP2014020372A - 軸流タービン用の固定ベーンアッセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】ブレード振動を減じるように設計された固定ベーン（静翼）の所定の配置、特に、低圧蒸気タービンの最終段ブレードにおける固定ベーンの所定の配置を提供する。
【解決手段】内部の作動流体の流路を形成するケーシング（１１）と、該ケーシングに対して同心的なロータ（１４）と、複数の段とを備えた軸流タービン（１０）が記載されており、前記段はそれぞれ、前記ケーシング上に環状に取り付けられた複数の固定ベーン（１２，１２１）から成る１つの列と、前記ロータ上に環状に取り付けられた複数の回転ブレード（１３）から成る１つの列とを有しており、１つの所定の段において、ｎ個のベーン（１２１）が延長部を有しており、これによりｎ個のベーンの各後縁の少なくとも一部が、残りのＮ−ｎ個のベーンの後縁と、同じ段の回転ブレードの前縁とによって形成された環状の空間内に到達している。
【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、概して、軸流タービン、特に低圧蒸気タービン用の固定ベーンアッセンブリに関する。

米国特許第４１６５６１６号明細書に記載されているように、段の効率を最も高くし、全てのタービンブレードにおける不利な反応を回避するためには、軸方向速度を特定の範囲に維持する必要がある。回転可能なタービンブレードから出る蒸気の軸方向速度は、段の負荷、不利な反応の見込み、および不利な作動を行うタービン段の見込みを決定するための最も重要なパラメータの１つである。タービンの最終段又は排気ブレードは最適に設計するのが最も困難なブレードである。何故ならば、タービンの最終段又は排気ブレードは、部分負荷運転及び過負荷運転により大きく変化する圧力比にさらされているからである。

排気段の下流の排気圧が変化する場合、最終段ブレードの最適化はより困難になり、その結果しばしば、最高効率がずっと低いブレードとなってしまう。比較的小さい排気圧の変化が、タービン性能に実質的な効果を及ぼすことがある。始動時又は終了時にタービンが部分負荷で運転されている場合、この効果は特に顕著であり、この場合、あらゆる任意の質量流量の場合、背圧の変化により、排気段の作動モードがゼロ仕事からチョーク流へと変化されることがある、又はその逆が行われることがある。タービンの通常の作動点は、通常、前述した両極値の間に含まれるように設計されている。チョーク流範囲における作動は付加的なタービン出力をもたらさないが、そのサイクルにおける熱の割合を増大し、ゼロ仕事範囲を越えた作動は、その他のタービンブレードによって得られた仕事を、生産するというよりむしろ消費する。

ゼロ点を越えた作動のさらなる欠点は、最終段が結局は非定常流現象を生じ、これにより極端に大きなブレード振動が引き起こされる恐れがあることにある。チョーク点を越えた操作を避けるさらなる理由は、チョーク点の上流及び下流で生じる不連続な流れパターンにある。このような不連続な非定常流は、外力によって引き起こされる、ブレードに対するあらゆる励起振動力を増大させる方向へ向かわせる。

振動を防止するために、回転ブレードの先端にシュラウドを、かつ／又は回転ブレードの高さの中間点に緩衝器（snubbers）を設けることは一般的に知られている。米国特許第３７５１１８２号明細書には、振動を減じるようにブレードを接続するために、ブレードの先端の近傍で回転ブレードに隣接して固定されたガイドベーンの形状が記載されている。

米国特許第４１６５６１６号明細書 米国特許第３７５１１８２号明細書

先行技術を考慮し、本発明の課題は、固定ベーン（静翼）の所定の配置、特に、低圧蒸気タービンの最終段ブレードにおける固定ベーンの所定の配置を提供することである。この配置は、好ましくはブレード振動を減じるように設計されている。

この課題を解決するために本発明の構成では、内部の作動流体の流路を形成するケーシングと、該ケーシングに対して同心的なロータと、複数の段とを備えた軸流タービンであって、前記段はそれぞれ、前記ケーシング上に環状に取り付けられた固定ベーンから成る１つの列と、前記ロータ上に環状に取り付けられた複数の回転ブレードから成る１つの列とを有しており、１つの所定の段において、ｎ個のベーンが延長部を有しており、これによりｎ個のベーンの各後縁の少なくとも一部が、残りのＮ−ｎ個のベーンの後縁と、同じ段の回転ブレードの前縁とによって形成された環状空間内に到達している。

延長されたベーンの数ｎは、ゼロより多く、かつ、その段におけるベーンの総数Ｎの半分より少ない。

好ましくは、ベーンの延長された部分は、ベーンのケーシングに近い側の２／３内に位置している。

本発明の上記構成及びさらなる構成は、以下の詳細な説明及び以下に挙げる図面に記載されている。

以下に、本発明の実施例を添付の図面につき説明する。

タービンの概略的な縦断面図である。 図１Ａのタービンの最終段を拡大して示した図である。 本発明の実施例によるタービンの最終段を拡大して示した図である。 本発明の実施例によるタービンの最終段のベーンを一定の半径方向の高さで示した水平断面図である。

本発明の態様及び実施例の詳細を以下にさらに詳しく説明する。本発明の典型的な実施の形態を図面につき説明するが、この場合、全体にわたって同じ参照符号は同じ要素を示すために使用されている。以下の記載では、説明の目的で、幾つかの特定の詳細が、本発明の完全な理解を提供するために説明されている。しかしながら本発明は、これらの特定の詳細なしでも実施されてよく、ここに記載した典型的な実施の形態に限定されるものではない。

図１Ａには、典型的な多段式軸流タービン１０が例示されている。タービン１０はケーシング１１を有していて、このケーシング１１は、このケーシング１１に環状に取り付けられた複数の固定ベーン１２と、複数の回転ブレード１３とを取り囲んでおり、これらの回転ブレード１３はロータ１４に環状に取り付けられており、ロータはベアリング（図示せず）に支持されている。ケーシング１１と、ベーン１２と、ブレード１３とは、その内部の、蒸気のような作動流体のための流路を形成している。各ブレード１３は、ロータ１４から先端領域まで流路内に延びる翼（エーロフォイル）を有している。ブレード１３は、合金を含む金属、樹脂によって結合された層状の炭素繊維から成る層状複合材を含む複合材、又は金属と複合材との混合物から形成することができる。タービン１０の多段は、固定ベーンと可動ブレード列の対によって形成されおり、タービン１０の最終段は、タービン１０を通る通常の流れ方向（矢印で図示する）で見て、タービン１０の下流端部の方向に位置している。タービン１０は蒸気タービン、特に、低圧（ＬＰ）蒸気タービンであって良い。ＬＰタービンの場合、典型的には凝縮ユニット（図示せず）が続いていて、この凝縮ユニット内で蒸気が凝縮される。

最終列のベーン１２とブレード１３を備えた従来のタービン１０の最終段が、図１Ｂに拡大されて示されている。従来のタービンでは、最終段の又は実際には他の全ての段の周方向アッセンブリを形成するベーンまたはガイドブレードは、基本的には形及び寸法において同一である。ベーン１２の後縁及びブレード１３の前縁は、ロータ１４の周りの環状空間１５の境界を成している。蒸気は、その経路においてこの空間を通過し、最終段を通って、凝縮器（図示せず）内に入る。

図２Ａ及び図２Ｂに示された本発明の実施例では、最終段の幾つかのベーン１２が延長された翼弦長を有しており、最終段のベーン１２とブレード１３の間の空間内にさらに延びている。他の要素は、図１Ｂの要素と同じ又は類似であり、同じ符号が付与されている。

図２Ａには上方のベーン１２１が示されており、この上方のベーン１２１は延長された翼弦長を有している。通常のベーンの長さは点線１２２で示されている。下方のベーン１２３も示されており、下方のベーン１２３は、本発明の実施例を示すために通常の翼弦長のベーンとして示されている。しかしながら好ましくは、延長された翼弦長を備えた複数のベーンが、段の全周にわたって均等に又は対称的に分配される。延長された翼弦長を有する複数のベーンを、段の全周にわたって、不規則に又均等に又は対称的に分配することもできる。

延長された翼弦長を有するベーンの部分をベーン全高さの下方２／３に限定し、ベーン先端は変更しないままであるのが好ましい。典型的にはベーンと回転ブレードとの間の軸方向の間隔は、腐食を低減するためにケーシングに向かって増大していなければならず、ハブ又はベーンの先端ではこの間隔は最小である。軸方向の間隔が大きいことにより、飛沫が接線方向でより長い距離にわたって加速するので、この飛沫を主流から良好に剥離することができる。第２に、より多くの飛沫が遠心分離され、回転ブレードを妨害することのないところのケーシングで捕集される。単にいくつかのベーンの翼弦を延長することにより、腐食は僅かにしか増大しないが、ベーンと回転ブレードとの間で通風状況下で大きく周方向に向かう流れは防止され、ブレード振動が低下することがわかった。

図２Ｂには、一定の半径距離でのベーン１２の水平断面図として、ベーンの周方向の配置の一部が示されている。図示された５つのベーン１２のうち、ベーン１２１は延長された翼弦長を有している。ベーン１２１の後縁の少なくとも一部はさらに、後続のブレード１３（図示せず）の方向の空間内に達している。点線の円は、ベーン１２間の最も狭い通路又はスロート（喉）を示している。１つの延長されたベーン１２１が挿入されているが、スロート及びスロート角又はゲージ角はこの段における全てのベーンについて維持されている。ベーン１２１の両側に沿った流れは、他のベーンを通る流れと同様のものであるので、延長されたベーン１２１を設けることにより生じる損失は減じられている。

１つ又は複数の延長されたベーンを設けることは、純粋な流れパラメータに関しては最良のデザインではないことは事実である。本発明は、場合によっては、純粋な流れ効率を減じても、流れ不安定性に抗する抵抗を得て、結果として、タービンとそのブレードの運転可能な限界及び／又は寿命を向上する方が有利であるという考えに基づいている。

ベーン１２とブレード１３との間の空間に障害物を挿入することにより、ファクタ２又はそれ以上にブレードの振動を減じることができる可能性がある。１つの段の円環における延長されたベーンの数は２〜３の範囲が最適である。延長されたベーンの数が比較的少なくても、多くの場合、段の間のブレード励振流れパターンを遮るのに十分であることがわかった。

上記説明した本発明は単に例であり、特に、通常の翼弦長を備えたベーンに対する延長されたベーンの比及びベーンリング又はダイヤフラムの円周に沿った空間的な分配に関しては、本発明の範囲内で変更可能である。

本発明は、ここで説明された又は暗示された全ての個々の特徴、又は図面に示された又は暗示された全ての個々の特徴、又はこれらの特徴の組み合わせ、又はこれらの特徴又は組み合わせの概念を同等のものとして含む。本発明の範囲は上記実施例のいずれにも限定されるべきではない。

この明細書及び図面で開示された全ての特徴は、明確に規定されていない限りは、同様の又は等価の又は類似の目的のために選択的な特徴と置き換えることができる。

明確に規定されていない限りは、明細書中の従来技術のいかなる議論も、このような従来技術が広く公知であるということを、又は当業者の一般的な知識の一部を成すということ容認するものではない。

１０ 軸流タービン
１１ ケーシング
１２ ベーン
１２１ 上方の／延長されたベーン
１２２ 長さ
１２３ 下方の／延長されていないベーン
１３ 回転ブレード
１４ ロータ
１５ 環状空間

Claims (5)

1. 内部の作動流体用の流路を形成するケーシング（１１）と、
   該ケーシング（１１）に対して同心的なロータ（１４）と、
   複数の段と、を備えた軸流タービン（１０）であって、前記段はそれぞれ、
   前記ケーシング（１１）上に環状に取り付けられたＮ個の固定ベーン（１２）から成る１つの列と、
   前記ロータ（１４）上に環状に取り付けられた複数の回転ブレード（１３）から成る１つの列とを有しており、
   １つの所定の段において、ｎ個のベーン（１２１）が延長部を有しており、これによりｎ個の各ベーン（１２１）の後縁の少なくとも一部が、前記ロータ（１４）と、前記ケーシング（１１）と、残りのＮ−ｎ個のベーン（１２）の後縁と、同じ段の回転ブレード（１３）の前縁とによって画成された環状空間（１５）内に到達していて、
   延長されたベーン（１２１）の数ｎは、ゼロより多く、かつ、その段におけるベーン（１２）の総数Ｎの半分より少ないことを特徴とする、軸流タービン。
2. 前記段は、低圧蒸気タービン（１０）の最終段である、請求項１記載のタービン。
3. 前記の数ｎは、０＜ｎ＜Ｎ／４であるように選択されている、請求項１記載のタービン。
4. 前記の数ｎは、０＜ｎ＜４であるように選択されている、請求項３記載のタービン。
5. 前記延長部は、ベーン（１２，１２１）の半径方向高さの最初の２／３に限定されている、請求項１記載のタービン。

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