JP2015094359A - ロータ冷却 - Google Patents

Abstract

【課題】スワール比と圧力低下の両方の改善及び／又は相互作用により、効率的な冷却流を提供すること。【解決手段】本発明の実施形態は、全体的に、ロータ冷却に関し、より詳細には、バケット根元への冷却蒸気の送給のため少なくとも１つの通路を有するステータ部材に関する。１つの実施形態において、本発明は、第１のバケット根元を含むロータと、ステータ部材とを備えたタービンを提供し、ステータ部材は、ロータの少なくとも一部が内部に配置されるロータボアと、ロータの第１のバケット根元に隣接した対向端部と、ロータボア内でロータをシールするための複数のシールとを有し、複数のシールは、対向端部の近傍の第１のシールと、該第１のシールに隣接した第２のシールとを含み、ステータ部材が更に、各々が第１のシールと第２のシールの間の箇所にてロータボアの表面から延び且つ対向端部を貫通して延びる複数の通路とを有する。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、全体的に、ロータ冷却に関し、より詳細には、バケット根元への冷却蒸気の送給のため少なくとも１つの通路を有するステータ部材に関する。

ロータバケットに隣接する第１のホイールスペースの冷却は、蒸気タービンを含む多くのターボ機械において利用されてきた。通常、このような冷却は、高圧セクションの後段から中圧セクションの第１のホイールスペースへの蒸気の分流を利用している。しかしながら、動作状態においては、冷却流のスワール比（冷却蒸気の円周速度をロータの速度で除算したものとして定義される）は、効率的冷却を提供し且つロータ寿命を延ばす上で重要であることが現在分かっている。また、冷却蒸気の供給源と、冷却蒸気がホイールスペースに放出される箇所との間の圧力低下も重要である。本発明の実施形態は、より効率的な冷却流を提供するためにスワール比と圧力低下の両方の改善及び／又は相互作用に関して記載している。

米国特許第６０５００７９号明細書

１つの実施形態において、本発明は、タービンを提供し、該タービンは、第１のバケット根元を含むロータと、ステータ部材とを備え、ステータ部材は、ロータの少なくとも一部が内部に配置されるロータボアと、ロータの第１のバケット根元に隣接した対向端部と、ロータボア内でロータをシールするための複数のシールとを有し、複数のシールは、対向端部の近傍の第１のシールと、該第１のシールに隣接した第２のシールとを含み、ステータ部材が更に、各々が第１のシールと第２のシールの間の箇所にてロータボアの表面から延び且つ対向端部を貫通して延びる複数の通路とを有する。

別の実施形態において、本発明は、タービン用のステータ部材を提供し、該ステータ部材は、細長本体と、細長本体内で且つその長手方向軸線に沿ったロータボアと、ロータボアの表面上に第１の開口を有し、細長本体を通って該細長本体の長手方向軸線に実質的に垂直な平面に沿って位置する対向端部上の第２の開口まで延びた少なくとも１つの通路と、シール装置を収容するため、ロータボアの表面に沿って対向端部と前記少なくとも１つの通路の第１の開口との間に配置された第１の凹部とを備える。

本発明のこれら及び他の特徴は、本発明の種々の実施形態を示した添付図面を参照しながら、本発明の種々の態様に関する以下の詳細な説明から容易に理解されるであろう。

本発明の１つの実施形態によるタービンの一部の概略側断面図。 本発明の別の実施形態によるタービンの一部の概略側断面図。 本発明の１つの実施形態によるインデューサープレートの正面図。 図３のインデューサープレートの側面図。 本発明の別の実施形態によるタービンの一部の概略側断面図。 本発明の別の実施形態によるタービンの一部の概略側断面図。 本発明の種々の実施形態に従ってスワール比の関数として相対熱交換と圧力差のグラフ図。

本発明の図面は縮尺通りではない点に留意されたい。当該図面は、本発明の典型的な態様のみを描くことを意図しており、従って、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、同じ参照符号は、複数の図面にわたり同じ要素を示している。

図１は、本発明の１つの実施形態による、タービン１００の一部の概略側断面図を示している。図１において、ロータ４０は、ステータ部材１０のロータボア２０内にある。第１のホイールスペース６０は、ステータ１０の対向端部１２と、バケット５０の第１のバケット根元７０との間に存在する。図１で分かるように、バケット５０は、ロータ４０に取り付けられた複数のバケット５０、５２のうちの１つであり、タービン１００のようなターボ機械に典型的であるように、複数の非回転ノズル６０、６２が交互している。用語「ブレード」は通常、航空機用タービンにおいて使用され、用語「バケット」は、典型的には、陸上用タービンにおける同じタイプの構成要素を記述する際に使用されることは、当業者であれば理解される。しかしながら、簡単にするために、本明細書では用語「バケット」は、バケット又はブレードを総称して呼ぶのに使用される。

複数のシール２６、２８は、ステータ１０のシールキャビティ１６、１８それぞれ内にあり、ステータ１０に対してロータ４０をシールする役割を果たす。図１に示すように、第１のシール２６は、ブラシシールであり、第２のシール２８はパッキングリングである。勿論、他のシール構成及び組み合わせも実施可能であり、これらは本発明の範囲内にある。

図１の実施形態において、第１の通路３０は、第１のシール２６と第２のシール２８の間の第１の開口３２から、第２の通路３８及びステータ１０を通り、ステータ１０の対向端部１２上の第２の開口３４に延びている。これにより、冷却蒸気が第１のシール２６及び第２のシール２８の間から第１のホイールスペース６０に通過するのが可能となることで、第１のバケット根元７０を冷却する。以下で更に詳細に説明するように、第２の通路３８は、ステータ１０の長手方向軸線に対して接線方向（円周方向）に角度が付けられ、冷却蒸気がある角度で第１のバケット根元７０に接触する。しかしながら、任意選択的に、第１の通路３０もまたステータ１０の長手方向軸線に対して接線方向に角度を付けることができる。典型的には、このような角度は、ロータ４０の回転方向にあり、その結果、冷却蒸気のスワール比及びそれに伴う熱除去効率が向上する。第２の通路３８は、開口３４から出る流れを加速させるため、収束又は中細のセクションを備え、又は含むことができる。

図１に示すように、任意選択の追加通路９０が第１のバケット根元７０に設けることができ、第１のホイールスペース６０に配向される冷却蒸気が引き続き、バケット根元７０を通って第１のバケット根元７０と第２のバケット根元７２の間の第２のホイールスペース６１内に流れることができる。この場合も同様に、追加の通路９０及び／又は第２のホイールスペース６１内へのその開口９２は、ステータ１０の長手方向軸線に対して角度を付けることができる。このような角度付けは、例えば、ロータ４０の回転方向とすることができる。

冷却蒸気を第１のホイールスペース６０内に導入する追加の利点は、特に第１のホイールスペース６０内で有意な圧力増大が達成される場合に、バケット根元７０を加熱するよう作用する作動高温蒸気の蒸気通路６６から第１のホイールスペース６０内への漏洩の低減である。

図２は、本発明の別の実施形態によるタービン２００の一部の概略側断面図を示す。ここで、インデューサープレート１８０は、ステータ１１０の対向端部１１２に取り付けられている。本発明の一部の実施形態によれば、インデューサープレート１８０は、交換が可能なように、対向端部１１２に非固定的に取り付けられている。本発明の一部の実施形態によれば、第１の通路１３０及び第２の通路１３８は、製造を容易にするために接線方向に角度が付けられていなくてもよい。このような事例では、インデューサー通路１３６がステータ１１０の長手方向軸線に対して接線方向に角度を付けることができ、あたかも第１の通路１３０及び／又は第２の通路１３８に角度が付けられているかのように、インデューサープレート１８０から出るときの冷却蒸気の実質的に同じ角度付けを提供する。この場合も同様に、インデューサー通路１３６は、開口１３４から出る流れを加速させるため、収束又は中細のセクションを含むことができる。

図３及び４は、それぞれ、通路１８２、１８４、１８６がこのように接線方向（円周方向）に角度が付けられたインデューサープレート１８０の１つの実施形態の正面図及び側面図を示す。３つの通路１８２、１８４、１８６だけが図３及び４において符号が付けられ、図４において図示されているが、これは単に説明を簡単にするために過ぎない。加えて、インデューサープレート１８０が利用される状況の要件に応じて、様々なサイズのうちのいずれかのサイズの幾つかの通路を利用することができる点は理解されたい。

図３及び４に示す実施形態において、インデューサープレート１８０は、第１の面１８２Ａ及び第２の面１８２Ｂを有する本体１８２と、第１の面１８２Ａから第２の面１８２Ｂに通過する複数の通路１８４、１８６、１８８とを備える。第１の面１８２Ａ又は第２の面１８２Ｂは、ステータ１１０（図２）の対向端部１１２（図２）と接触して配置され、通路１８２、１８４、１８６が第２の通路１３８と連通する。図４に示すように、各通路１８４、１８６、１８８は、ステータ１１０の長手方向軸線Ａ、すなわち、第１の面１８２Ａ及び／又は第２の面１８２Ｂに実質的に垂直な線に対して角度αで角度が付けられる。例えば、通路１８６では、面１８２Ａ上の開口１８５と、面１８２Ｂ上の開口１８７が表記されている。インデューサープレート１８０は、例えば、ボルト、スクリュー、又は他の締結具、溶接、その他を含む、公知の又は将来開発される装置又は方法を用いて対向端部１１２に取り付けることができる。

当然、通路１８４、１８６、１８８がステータ１１０の長手方向軸線Ａ（図２）に対して接線方向に付けられる角度αは、このような角度付けの所望の作用に応じて変わる。しかしながら、典型的には、角度αは、ステータ１１０の長手方向軸線Ａから約４５°と約９０°の間、例えば、約６０°と約８５°の間、又は約８０°である。上述のように、冷却蒸気の円周速度をロータの速度で除算したものとして定義される、冷却蒸気のスワール比は、効率的冷却を提供し且つロータ寿命を延ばす上で重要であることを出願人らは見出した。より具体的には、約１．７又はそれよりも大きいスワール比がより高い熱伝達率をもたらすことを出願人らは見出した。ステータ１１０の長手方向軸線から約４５°〜約９０°の間の角度は、このようなスワール比を達成することが分かっている。

図５及び６は、本発明の他の実施形態によるタービン３００、４００の一部の概略側断面図を示す。図５において、第１のシール２２６は、図１のようにブラシシールではなく、パッキングリングである。図６において、任意選択のインデューサープレート３８０は、ステータ３１０の対向端部３１２に取り付けられている。

加えて、冷却蒸気が第１のホイールスペース６０（図１）に送給される箇所のサイズ及び／又は数を制限することにより、熱伝達が改善され、場合によってはスワール比が増大することを出願人らは見出した。例えば、通路３０（図１）のサイズ及び／又は数、或いは、第１のホイールスペース６０への第２の開口３４（図１）のサイズ及び／又は数を制限して、５０ｐｓｉｄ（ポンド／平方インチ差）又はそれ以上の圧力差を達成することにより冷却蒸気が加速されると、熱伝達を大幅に改善できることを出願人らは見出した。場合によっては、熱伝達の改善は８０％ほどにもなる。一部の実施形態において、圧力差は最大で８０ｐｓｉｄである。

本発明の一部の実施形態において、熱伝達の改善は、流れを加速するために通路１８４、１８６、１８８の角度付けと冷却蒸気の圧力差を増大させることの組み合わせにより達成されえる。しかしながら、本発明の他の実施形態において、角度αを０°又はその近傍にして、通路１８４、１８６、１８８がインデューサープレート１８０の第１の面１８２Ａ及び第２の面１８２Ｂに対して実質的に平行か又は浅い角度で配向されることができ、熱伝達の改善は、主として冷却蒸気の圧力差を増大させることにより達成される点に留意されたい。更に他の実施形態において、熱伝達の改善は、主として、通路１８４、１８６、１８８の角度付けにより達成され、冷却蒸気の圧力差の意図的な又は有意な増大はなく、すなわち、圧力差は約５０ｐｓｉｄ未満である。

図７は、本発明の種々の実施形態に従って出願人らにより観測された結果に基づいて、スワール比の関数として相対熱交換と圧力差とのグラフ図を示している。図７で分かるように、相対熱交換は、最初は、スワール比が１．０に向かって増大するにつれてＡ部分に沿って減少し、スワール比１．０の時点で相対熱交換が最小となる。スワール比１．０では、冷却蒸気の速度はロータの速度に等しく、すなわち、ロータは、本質的に、ロータに対する冷却蒸気の相対移動によって達成される熱伝達が追加されることなく冷却蒸気中に浸漬されているので、このことは理解することができる。Ａ部分に沿った相対熱交換値は、本発明の種々の実施形態に従って、角度が付けられた通路３０、３８（図１）及び／又はインデューサープレート１８０（図２）を利用することなく、冷却蒸気を用いて達成される値である。

図７を更に参照すると、スワール比が１．０を上回ると、本発明の種々の実施形態に従って達成できるように、相対熱交換はＢ部分に沿って増大し、スワール比が約１．７において、相対熱交換は、本発明なしに達成可能な最大熱交換に等しくなる（すなわち、スワール比が１．０未満の状態で）。約１．７を上回るスワール比は、１．０未満のスワール比により達成可能な最大値よりも大きな相対熱交換がもたらされる。図７で分かるように、スワール比が約２．５では、相対熱交換は、１．０未満のスワール比で達成可能な最大値の約２倍である。

図７のＣ部分は、対応するスワール比を発生するのに必要な圧力差を示している。理解できるように、約１．７のスワール比を達成するために約５０ｐｓｉｄの圧力差が必要とされる。この時点から、圧力差の増大は、スワール比の更なる増大をもたらし、より高い相対熱交換を生じる。このことは、相対熱交換がＣ部分に示された圧力差に相当する成分と、本発明の種々の実施形態による角度付き通路及び／又はインデューサープレートを用いて達成される冷却蒸気の角度付けに対応する成分とを含むことを反映している。また、このことは、角度付き通路を通る冷却流を駆動して所望のスワール比を達成するのに必要とされる圧力を蓄積する際の図１における第１のシール２６の機能を実証している。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本発明を限定するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、用語「備える」及び／又は「備えている」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は部品の存在を明示しているが、１以上の他の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。

本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明の様々な実施形態を開示し、また当業者が、装置又はシステムを製作し且つ使用しまた組み込み方法を実行することを含む本発明の実施を行うことを可能にもする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構成要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構成要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１００、２００、３００、４００ タービン
１０ ステータ
１２ 対向端部
１６、１８ シールキャビティ
２０ ロータボア
２６、２８ シール
３０、１３０ 第１の通路
３２ 第１の開口
３４ 第２の開口
３８、１３８ 第２の通路
４０ ロータ
５０、５２ バケット
６０、６２ 非回転ノズル
６０ 第１のホイールスペース
６１ 第２のホイールスペース
６６ 蒸気通路
７０ 第１のバケット根元
７２ 第２のバケット根元
９０ 追加の通路
９２、１８５、１８７ 開口
１１０、３１０ ステータ
１１２、３１２ 対向端部
１３４ 流出開口
１３６ インデューサー通路
１８０、３８０ インデューサープレート
１８２、１８４、１８６、１８８ 通路
１８２ 本体
１８２Ａ 第１の面
１８２Ｂ 第２の面
２２６ 第１のシール

Claims (20)

1. タービンであって、
   第１のバケット根元を含むロータと、
   ステータ部材と、
   を備え、前記ステータ部材が、
   前記ロータの少なくとも一部が内部に配置されるロータボアと、
   前記ロータの第１のバケット根元に隣接した対向端部と、
   前記ロータボア内で前記ロータをシールするための複数のシールと、
   を有し、前記複数のシールが、前記対向端部の近傍の第１のシールと、該第１のシールに隣接した第２のシールとを含み、
   前記ステータ部材が更に、
   各々が第１のシールと第２のシールの間の箇所にて前記ロータボアの表面から延び且つ前記対向端部を貫通して延びる複数の通路と、
   を有する、タービン。
2. 第１のシールが、ブラシシール及びパッキングリングからなる群から選択される、請求項１記載のタービン。
3. 第１のシールがパッキングリングであり、第２のシールがパッキングリングである、請求項２記載のタービン。
4. 前記対向端部に取り付けられたインデューサープレートを更に備え、該インデューサープレートが、前記対向端部に隣接する第１の面から該第１の面に実質的に平行な第２の面を通って延びる複数の通路を含み、前記インデューサープレートの複数の通路のうちの少なくとも１つが、前記ステータ部材の複数の通路と連通している、請求項１記載のタービン。
5. 前記インデューサープレートの複数の通路のうちの少なくとも１つが、前記ロータの回転方向に角度が付けられている、請求項４記載のタービン。
6. 前記インデューサープレートの複数の通路のうちの少なくとも１つが、前記インデューサープレート内で約４５度と約９０度の間の角度が付けられている、請求項４記載のタービン。
7. 前記インデューサープレートの複数の通路のうちの少なくとも１つが、前記インデューサープレート内で約６０度と約８５度の間の角度が付けられている、請求項６記載のタービン。
8. 前記インデューサープレートの複数の通路のうちの少なくとも１つが、前記インデューサープレート内で約８０度の角度が付けられている、請求項７記載のタービン。
9. 作動状態において、所定量の蒸気が第１のシールと第２のシールの間から、ステータ部材の複数の通路を通って、対向端部と第１のバケット根元との間のホイールスペースキャビティ内に分流される、請求項１記載のタービン。
10. 前記ステータ部材の複数の通路が、前記所定量の蒸気に対して約１．６よりも大きいスワール比を与える、請求項９記載のタービン。
11. 前記スワール比が約１．７と約２の間である、請求項１０記載のタービン。
12. 前記所定量の蒸気が、第１のシールと第２のシールとの間の箇所にて前記ホイールスペースキャビティ内の第２の圧力よりも少なくとも５０ｐｓｉ大きい第１の圧力を有する、請求項９記載のタービン。
13. 第１の圧力が、第２の圧力よりも約８０ｐｓｉ大きい、請求項１２記載のタービン。
14. タービン用のステータ部材であって、
    細長本体と、
    前記細長本体内で且つその長手方向軸線に沿ったロータボアと、
    前記ロータボアの表面上に第１の開口を有し、前記細長本体を通って該細長本体の長手方向軸線に実質的に垂直な平面に沿って位置する対向端部上の第２の開口まで延びた少なくとも１つの通路と、
    シール装置を収容するため、前記ロータボアの表面に沿って前記対向端部と前記少なくとも１つの通路の第１の開口との間に配置された第１の凹部と、
    を備える、ステータ部材。
15. 第２のシール装置を収容するため、前記ロータボアの表面に沿って第１の凹部と反対側で前記少なくとも１つの通路の第１の開口に隣接して配置された第２の凹部を更に備える、請求項１４記載のステータ部材。
16. 前記対向端部に取り付けられたインデューサープレートを更に備え、該インデューサープレートが、前記対向端部に隣接する第１の面から該第１の面に実質的に平行な第２の面を通って延びた少なくとも１つの通路を含み、該少なくとも１つの通路が、前記ステータ部材の少なくとも１つの通路と連通している、請求項１４記載のステータ部材。
17. 前記インデューサープレートの少なくとも１つの通路が、前記インデューサープレート内で約４５度と約９０度の間の角度が付けられている、請求項１６記載のステータ部材。
18. 前記インデューサープレートの少なくとも１つの通路が、前記インデューサープレート内で約６０度と約８５度の間の角度が付けられている、請求項１７記載のステータ部材。
19. 前記インデューサープレートの少なくとも１つの通路が、前記インデューサープレート内で約８０度の角度が付けられている、請求項１８記載のステータ部材。
20. 前記インデューサープレートの少なくとも１つの通路が、前記ロータの回転方向に角度が付けられている、請求項１６記載のステータ部材。