JP2015525854A

JP2015525854A - 複数の前縁陥凹部を含む最終段タービン動翼、並びに対応ロータアセンブリ及び蒸気タービン

Info

Publication number: JP2015525854A
Application number: JP2015526621A
Authority: JP
Inventors: マダウス，アラン・ドン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2015-09-07
Also published as: CN104755704B; US20140044556A1; WO2014025729A8; RU2015103596A; WO2014025729A1; CN104755704A; EP2893144A1

Abstract

本発明の態様は、蒸気タービンの最終段動翼を提供する。一実施形態では、蒸気タービンの最終段動翼は、通過流を受ける動翼前縁であって、蒸気タービン動翼の上部に複数の陥凹部を含む動翼前縁と、通過流を排出するための動翼後縁とを含む。対応するロータアセンブリ及び蒸気タービンも提供される。【選択図】図２

Description

本発明は、広義には蒸気タービンのようなターボ機械に関し、具体的には、前縁に複数の陥凹部を含む、蒸気タービンの最終段動翼に関する。

蒸気タービンの通常運転状態時には、通過流は、最終段蒸気タービン動翼の全長に沿って延在する。しかし、低流量及び／又は高排気圧を伴う極端なターンダウン状態では、通過流は、最終段蒸気タービン動翼の先端部を通してしか流れない。

通過流が最終段蒸気タービン動翼の先端部を通してしか流れないと、動翼は超音速入口状態（supersonic entrance condition）に付され、動翼列入口で衝撃波が形成される。衝撃によって、圧力が急激に低下する。超音速入口状態からの空気力学的力及び衝撃波過渡効果は、潜在的に有害な振動のため最終段動翼の信頼性に悪影響を与えるおそれがある。さらに、最終段蒸気タービン動翼の先端部（そこを通過流が流れる）は、温度の上昇及び流れの方向の圧力上昇を受ける。

欧州特許第２３２２７６１号

本発明の態様は、蒸気タービンの最終段動翼を提供する。一実施形態では、蒸気タービンの最終段動翼は、通過流を受ける動翼前縁であって、蒸気タービン動翼の上部に複数の陥凹部を含む動翼前縁と、通過流を排出するための動翼後縁とを含む。

本発明の第１の態様は、通過流を受ける動翼前縁であって、蒸気タービン動翼の上部に複数の陥凹部を含む動翼前縁と、通過流を排出するための動翼後縁とを備える蒸気タービン動翼を提供する。

本発明の第２の態様は、複数のスロットを含むロータ本体と、ロータ本体の複数のスロット内の複数の蒸気タービン動翼とを備えるロータアセンブリであって、蒸気タービン動翼の１以上が、通過流を受ける動翼前縁であって、蒸気タービン動翼の上部に複数の陥凹部を含む動翼前縁と、通過流を排出するための動翼後縁とを備えている、ロータアセンブリを提供する。

本発明の第３の態様は、ステータと、ステータの周りの複数のロータホイールとを備える蒸気タービンであって、各ロータホイールが、複数の蒸気タービン動翼を含んでいて、１以上のロータホイールの蒸気タービン動翼が、通過流を受ける動翼前縁であって、蒸気タービン動翼の上部に複数の陥凹部を含む動翼前縁と、通過流を排出するための動翼後縁とを備えている、蒸気タービンを提供する。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて本発明の実施形態について開示する以下の詳細な説明を参照することによって明らかとなろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。

蒸気タービンの低圧セクションの部分断面斜視図である。本発明の実施形態による蒸気タービン動翼の斜視図である。

本開示の図面は、必ずしも原寸に比例していないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様を示すためのものにすぎず、本開示の範囲を限定するものとみなすべきでない。図面では、図面を通して同様の符号は同様の構成要素を表す。

上述のように、本発明は、概して、蒸気タービンのようなターボ機械に関し、具体的には、前縁に複数の陥凹部を含む、蒸気タービンの最終段動翼に関する。

通過流が最終段蒸気タービン動翼の先端部を通してしか流れないと、動翼は超音速入口状態に付され、動翼列入口で衝撃波が形成される。衝撃によって、圧力が急激に低下する。超音速入口状態からの空気力学的力及び衝撃波過渡効果は、潜在的に有害な振動のため最終段動翼の信頼性に悪影響を与えるおそれがある。さらに、最終段蒸気タービン動翼の先端部（そこを通過流が流れる）は、温度の上昇及び流れの方向の圧力上昇を受ける。

図面を参照すると、図１は、蒸気タービン１０の部分断面斜視図を示す。蒸気タービン１０は、シャフト１４と複数の軸方向に離間したロータホイール１８とを含むロータ１２を備える。ある実施形態では、各ロータホイール１８は、例えば鋼のような金属から作ることができる。複数の回転動翼２０が、各ロータホイール１８に機械的に結合される。具体的には、動翼２０は、各ロータホイール１８の周りに周方向に延在する列として配置される。複数の静翼２２が、シャフト１４の周りに周方向に延在しており、軸方向に、動翼２０の隣り合った列の間に配置される。静翼２２は動翼２０と協働してタービン段落を形成し、タービン１０を通る蒸気流通路の一部分を画成する。

作動中、作動流体２４が蒸気タービン１０の入口２６に入り、静翼２２を通して導かれる。静翼２２は、流体２４を動翼２０に向けて下流に導く。流体２４は残りの段落を通過して、動翼２０に力を付与し、ロータ１２に堅固に接続されたシャフト１４を回転させる。蒸気タービン１０の少なくとも一端は、回転シャフト１４から軸方向に離隔して延在してもよいし、負荷又は機械（図示せず、例えば特に限定されないが発電機及び／又は別のタービン）に取り付けられていてもよい。したがって、大型タービンユニットは、同一のシャフト１４にすべて同軸に結合した複数のタービンを実際に含んでいてもよい。かかるユニットとしては、例えば、高圧タービンが中圧タービンに結合し、中圧タービンが低圧タービンに結合したものが挙げられる。

図１に示すように、タービン１０は、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４と呼ばれる５つの段落を含む。

ここで説明する本発明の態様は、蒸気タービン１０の最終段落Ｌ０に適用される。一実施形態では、蒸気タービンの最終段動翼は、通過流を受ける動翼前縁であって、蒸気タービン動翼の上部に複数の陥凹部を含む動翼前縁と、通過流を排出するための動翼後縁とを含む。蒸気タービン動翼の上部の複数の陥凹部は、超音速入口状態による空気力学的力及び衝撃波過渡効果のレベルを低減する。

次に図２を参照すると、本発明の実施形態に係る蒸気タービン１０（図１）用の最終段動翼１００の斜視図を示す。図２には、単一の最終段動翼１００しか示していないが、最終段落Ｌ０のロータホイール１８（図１）は、ロータ本体１２（図１）の周囲に複数の最終段動翼１００を含んでいる。

動翼１００は、通過流を受けるための前縁１１０と、通過流を排出するための後縁１２０とを含む。上述のように、高い周囲温度及び軽い負荷要求によって必要とされる低流量及び／又は高排気圧を伴う極端なターンダウン状態では、通過流は、動翼１１０の上部１３０を通してしか流れない。これは、動翼に不都合な空気力学的力を生じ、動翼を損傷するおそれがある。

極端なターンダウン状態時の空気力学的力を低減するため、動翼前縁１１０は、動翼１００の上部１３０に複数の陥凹部１４０を含む。動翼１００の上部１３０は、動翼１００の約１０％以上、動翼１００の約２０％以下とすることができる。しかし、動翼１００のこれらの割合は例示にすぎず、複数の陥凹部１４０は、前縁１１０の表面全体に沿って延在していてもよい。

図に示すように、ロータ本体１２は、動翼１００を収容して動翼１００をロータ本体１２に固定するための複数のスロット１５０を備える。スロット１５０と動翼１００とのダブテール接続をパインツリー構成として図示したが、動翼１００を、ロータ本体１２に、Ｔ字形根元構成その他現時点で公知の又はこれから開発される構成によって接続することができることは明らかである。

本明細書において「第１」、「第２」などの用語は、いかなる順序、量又は重要性を意味するものではなく、ある構成要素を他の構成要素から区別するために用いる。単数形で記載したものであっても、数を限定するものではなく、そのものが少なくとも１つ存在することを意味する。数量に用いられる「約」という修飾語は、標記の数値を含み、文脈毎に決まる意味をもつ（例えば、特定の数量の測定に付随する誤差範囲を含む）。本明細書で用いる接尾辞「（ｓ）」は、それが付記された用語の単数形と複数形とを包含することを意味し、そのものの１以上を包含する（例えば、ｍｅｔａｌ（ｓ）という記載は、１種以上の金属を包含する。）本明細書で開示する範囲はその上下限を含み、独立に結合可能である（例えば、「約２５重量％以下、具体的には約５〜約２０重量％」という範囲は、「約５〜２５重量％」の上下限とその範囲内のすべての中間値を含む）。

本明細書では様々な実施形態について説明してきたが、本明細書の記載から、構成要素の様々な組合せ、変更及び修正を当業者がなし得ること、並びにそれらが本発明の技術的範囲に属することは明らかであろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。

１０蒸気タービン
１２ロータ
１４シャフト
１８ロータホイール
２０回転動翼
２２静翼
２４作動流体
２６入口
１００最終段動翼
１１０最終段動翼の前縁
１２０最終段動翼の後縁
１３０最終段動翼の上部
１４０陥凹部
１５０スロット

Claims

蒸気タービン動翼であって、
通過流を受ける動翼前縁であって、蒸気タービン動翼の上部に複数の陥凹部を含む動翼前縁と、
通過流を排出するための動翼後縁と
を備える蒸気タービン動翼。
蒸気タービン動翼の上部が動翼の１０％以上を含む、請求項１記載の蒸気タービン動翼。
蒸気タービン動翼の上部が動翼の２０％以下を含む、請求項１記載の蒸気タービン動翼。
通常運転中に、通過流が蒸気タービン動翼の全長を流れる、請求項１記載の蒸気タービン動翼。
低通過流時に、通過流が蒸気タービン動翼の上部にしか流れない、請求項１記載の蒸気タービン動翼。
蒸気タービン動翼が最終段動翼である、請求項１記載の蒸気タービン動翼。
複数のスロットを含むロータ本体と、
ロータ本体の複数のスロット内の複数の蒸気タービン動翼と
を備えるロータアセンブリであって、蒸気タービン動翼の１以上が、通過流を受ける動翼前縁であって、蒸気タービン動翼の上部に複数の陥凹部を含む動翼前縁と、通過流を排出するための動翼後縁とを備えている、ロータアセンブリ。
１以上の蒸気タービン動翼の上部が動翼の１０％以上を含む、請求項７記載のロータアセンブリ。
１以上の蒸気タービン動翼の上部が動翼の２０％以下を含む、請求項７記載のロータアセンブリ。
通常運転中に、通過流が１以上の蒸気タービン動翼の全長を流れる、請求項７記載のロータアセンブリ。
低通過流時に、通過流が蒸気タービン動翼の１以上の上部にしか流れない、請求項７記載のロータアセンブリ。
１以上の蒸気タービン動翼が最終段動翼である、請求項７記載のロータアセンブリ。
複数の蒸気タービン動翼が、ロータ本体の軸方向長さに沿って複数のロータホイールを形成する、請求項７記載のロータアセンブリ。
最終段ロータホイールの蒸気タービン動翼の各々が、動翼前縁の上部に複数の陥凹部を含む、請求項１３記載のロータアセンブリ。
ステータと、
ステータの周りの複数のロータホイールと
を備える蒸気タービンであって、各ロータホイールが、複数の蒸気タービン動翼を含んでいて、１以上のロータホイールの蒸気タービン動翼が、通過流を受ける動翼前縁であって、蒸気タービン動翼の上部に複数の陥凹部を含む動翼前縁と、通過流を排出するための動翼後縁とを備えている、蒸気タービン。
１以上のロータホイールの蒸気タービン動翼の上部が各動翼の１０％以上を含む、請求項１５記載の蒸気タービン。
１以上のロータホイールの蒸気タービン動翼の上部が各動翼の２０％以下を含む、請求項１５記載の蒸気タービン。
通常運転中に、通過流が１以上のロータホイールの蒸気タービン動翼の全長を流れる、請求項１５記載の蒸気タービン。
低通過流時に、通過流が１以上のロータホイールの複数の蒸気タービン動翼の上部にしか流れない、請求項１５記載の蒸気タービン。
１以上のロータホイールの蒸気タービン動翼が最終段動翼である、請求項１５記載の蒸気タービン。