JP2016104986A

JP2016104986A - タービン配列

Info

Publication number: JP2016104986A
Application number: JP2015226319A
Authority: JP
Inventors: ロバートホーラーブライアン; Brian Robert Haller
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2015-11-19
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2035-11-19
Also published as: US20160146013A1; CN105888735A; US10494927B2; EP3023585B1; EP3023585A1; CN105888735B; JP6679279B2

Abstract

【課題】多段ガスタービンおよび多段蒸気タービンのタービン効率を改善する。【解決手段】段ごとの蒸気などのガスの膨張によって仕事量を発生させるためのタービンに関し、下流側の段ガイド平均高さ４５は、隣接する上流側の段ランナ平均高さ３７よりも小さい。【選択図】図２

Description

技術分野
本発明は、多段ガスタービンおよび多段蒸気タービンの配列および構造に関する。

背景情報
タービン製造者の共通の目的は、蒸気タービンの製造者かガスタービンの製造者かにかかわらず、効率の改善である。この目的は、漏れを低減し、段反動度、ブレードアスペクト比、段負荷、および三次元のスタッキング、ツイスト、反り、リーンの適用を含むブレード構造を最適化することにより達成される。それにもかかわらず、タービン効率を改善する新たな機会を探し求める必要性が継続している。

概要
特に、低い根元反動を有し、低い体積流量用途のために構成されたタービン用の、改善された効率を提供することができる配列を有するタービンが提供される。

本発明は、独立請求項の主題によりこの問題を解決しようとしている。有利な実施の形態は、従属請求項に記載されている。

本開示は、低減された高さのガイドが使用され、これにより、選択された軸方向タービン段において流れ環状部に段部が形成されている変動流れ環状部を提供するという概略的な思想に基づいている。

１つの概略的な態様は、段ごとのガスの膨張よって仕事を発生させるためのタービンを含み、タービンは、ガスの膨張流に一致する軸方向と、半径方向とを有する。タービンは、ケーシング内面と、ハブと、軸方向第１段と、軸方向第２段とを含む。軸方向第１段は、ケーシング内面に固定された第１のガイドと、第１のガイドの下流側でハブに固定された第１のランナとを含む。第１のランナはまた、半径方向でタブから遠い方に位置する第１のランナ先端部と、第１のランナの軸方向中間点に沿って第１のランナ先端部とハブとの間の第１のランナ平均半径方向高さとを有する。軸方向第１段の下流側における軸方向第２段は、ケーシング内面に固定された第２のガイドを有する。この第２のガイドは、ケーシング内面から遠い方に位置する第２のガイド先端部と、第２のガイドの軸方向中間点に沿って第２のガイド先端部とケーシング内面との間の第２のガイド平均半径方向高さとを有する。軸方向第２段は、第２のガイドの下流側において、ハブに固定された第２のランナをさらに含む。タービンは、第２のガイド平均高さが第１のランナ平均高さよりも小さくなるように構成されている。これは、タービンに変動する環状部を与える。

さらなる態様は、１つまたは複数の以下の特徴を含んでもよい。ハブ直径は、第１のガイドと第２のランナとの間に延在しかつ第１のガイドと第２のランナとを含む領域において一定である。ハブ半径は、第１のガイドと第２のランナとの間に延在しかつ第１のガイドと第２のランナとを含む領域において変化していて、ハブ半径は、増減両方を行っている。ハブと第１のランナ先端部との間の第１のランナ半径方向高さは、軸方向に沿って増大しており、第１のランナ先端部により形成される倒角は、軸方向に沿って一定である。第２のランナ半径方向高さは、軸方向に沿って増大しており、第２のランナ先端部により形成される倒角は、軸方向に沿って一定である。第１のガイドは、ケーシング内面に沿って軸方向で、ベルマウス形状を形成しており、第２のガイドは、ケーシング内面に沿って軸方向で、ベルマウス形状を形成している。ケーシング内面と第１のガイド先端部との間の第１のガイド半径方向高さは、軸方向に沿って減少しており、第１のガイド先端部は、軸方向に沿ってベルマウス形状を形成している。ケーシング内面と第２のガイド先端部との間の第２のガイド半径方向高さは、軸方向に沿って減少しており、第２のガイド先端部は、軸方向に沿ってベルマウス形状を形成している。第１のランナのＫ値は、ハブにおける０．２５から第１のランナ先端部における０．１６まで変化している。第２のガイドのＫ値は、ケーシング内面おいて０．１５から第２のガイド先端部における０．２５まで変化している。

タービンは、１つまたは複数の以下の特徴を含む蒸気タービンであってもよい。３０％の根元反動。２５度から３５度の間の、第１のランナ、第２のランナ、または第１のランナおよび第２のランナの両方の背面転向角。ハブにおけるディスク周速と段の等エントロピーの静圧対全圧の熱落差の等価速度との比は、０．５〜０．５６の範囲にある。第２のガイド先端部半径対ハブ半径の比は、１．３よりも小さい。

タービンは、ガスタービンであってもよく、２５度から３０度の、第１のランナおよび／または第２のランナの背面転向角を有する。

本開示の別の態様及び利点は、本発明の典型的な実施の形態を例示している添付の図面に関する以下の説明から明らかになる。

図面の簡単な説明
例として、添付の図面に関して、以下に、本開示の１つの実施の形態をより詳しく説明する。

軸方向タービン段の上面図である。例示的な実施の形態が適用される、隣接する軸方向タービン段の側面図である。別の例示的な実施の形態が適用される、隣接する軸方向タービン段の側面図である。

詳細な説明
ここに本開示の例示的な実施の形態を、図面を参照して説明する。図面において、同一の参照符号が全体を通じて同一の要素を示すために使用されている。以下の説明において、説明の目的で、開示の完全な理解を与えるために、多数の特定の細部が示されている。しかし、本開示は、この特定の細部なしに実施してよく、ここに開示された例示的な実施の形態に制限されるものではない。

図１は、発明の例示的な実施の形態を適用することができる軸方向タービン段３０，４０を示している。軸方向タービン段は、周方向に分配されたガイド３２と、周方向に分配された下流側のランナ３６とを含む。ガイド３２およびランナ３６は、ピッチ２４と、スロート２２と、背面転向角δとを有する。ピッチ２４は、隣接するガイド３２および隣接するランナ４２における対応する点の間の周方向の距離として定義され、スロート２２は、隣接するガイド３２および隣接するランナ４２の表面の間の最短距離として定義され、背面転向角δは、「アンカバードターニング（uncovered turning）」として定義され、これは、吸込み面スロートポイントと吸込み面後縁ブレンドポイントとの間の角度の変化である。

図１に示された、段ごとのガスの膨張よって仕事を行わせるためのタービンに適用された１つの例では、タービンは、ガスの膨張流に一致する軸方向１４と、半径方向１６とを有する。タービンは、ケーシング内面１２とハブ１０とを有する。ケーシング内面１２とハブ１０との間に、複数の軸方向タービン段が存在する。各軸方向タービン段は、ケーシング内面１２に固定されたガイド３２，４２を含む一方、各ガイド３２，４２は、ケーシング内面１２から遠い方に位置するガイド先端部３４，４４を有し、各ガイド３２，４２の軸方向中間点で、ケーシング内面１２とガイド先端部３４，４４との間の距離は、平均ガイド高さ３５，４５を規定している。

各ガイド３２，４２に隣接して、その下流側で、ランナ３６，４６がハブ１０に固定されている。各ランナ３６，４６は、ハブ１０から遠い方に位置するランナ先端部３８，４８を有し、各ランナ３６，４６の軸方向中間点で、ハブ１０とランナ先端部３８，４８との間の距離は、平均ランナ高さ３７，４７を規定している。

図２に示されているように、１つの例示的な実施の形態では、第２のガイド平均高さ４５は、第１のランナ平均高さ３７よりも小さい。これは、波形／段状のケーシング内面１２を形成する一方、ハブ１０は、基本的に直線的なままである。

図２に示された例示的な実施の形態では、軸方向でケーシング内面に沿って、ガイド３２，４２がベルマウス形状を形成している。

図示されていない例示的な実施の形態では、軸方向でガイド先端部３４，４４に沿って、ガイド先端部３４，４４がベルマウス形状を形成している。

図２に示された例示的な実施の形態では、ランナ３６，４６の先端部の拡がり角として規定される倒角θは、軸方向１４で一定である。

図３に示された別の例示的な実施の形態では、第２のガイド平均高さ４５は、第１のランナ平均高さ３７よりも小さく、ケーシング内面１２およびハブの両方が、波／段形状を有する。このようにして、軸方向第１段３０と軸方向第２段４０との間でかつ軸方向第１段３０と軸方向第２段４０とを含む領域において、ハブ半径は、増減両方を行っている。

例示的な１つの実施の形態では、スロート２２対ピッチ２４の比として規定される、ランナ３６，４６のＫ値は、ハブにおける０．２５からランナ先端部３８，４８における０．１６まで変化している。

例示的な１つの実施の形態では、スロート２２対ピッチ２４の比として規定される、ランナ３６，４６のＫ値は、ケーシング内面１２における０．１５からガイド先端部３４，４４における０．２５まで変化している。

例示的な１つの実施の形態では、第２のガイド先端部半径対ハブ半径の比は、１．３よりも小さい。

ガスタービンと蒸気タービンとの間の違いに基づいて、例示的な実施の形態の波形／段状のケーシング内面１２の適用は、２つのタイプのタービンに関して異なる構造を要求してよい。

蒸気タービンに適合された例示的な１つの実施の形態では、軸方向第１段３０、軸方向第２段４０、または軸方向第１段３０および軸方向第２段４０の両方が、約３０％の根元反動（ルートリアクション）を有するように構成されている。別の例示的な１つの実施の形態では、蒸気タービンは、損失を低減するために２５度から３５度のランナ３６，４６の背面転向角δを有する。通常運転において、ハブにおけるディスク周速Ｕ_rと段の等エントロピーの静圧対全圧の熱落差（total-to-static heat drop）の等価速度Ｃ₀との比は、０．５〜０．５６の範囲にある。

ガスタービンに適用された例示的な１つの実施の形態では、第１のランナおよび／または第２のランナの背面転向角は、２５度から３０度の間にある。

本明細書において、開示が、最も実用的で例示的な実施の形態であると考えられたもので図示され、説明されているが、本開示は、別の特定の構成で具体化することができる。ゆえに、本開示の実施の形態は、あらゆる点で例示的であり、これに制限されるものではないとみなされる。開示の範囲は、前述の説明ではなく、添付の特許請求の範囲により表され、その意味及び範囲内で生じるあらゆる変更及びその等価物が、開示の範囲に含まれるものとする。

１０ハブ
１１ハブ半径
１２ケーシング内面
１４軸方向（膨張流に一致する）
１６半径方向
１８周方向
２０軸方向中間
２２スロート
２４ピッチ
３０軸方向第１段
３２第１のガイド
３４第１のガイド先端部
３５第１のガイド平均高さ
３６第１のランナ
３７第１のランナ平均高さ
３８第１のランナ先端部
４０軸方向第２段
４２第２のガイド
４４第２のガイド先端部
４５第２のガイド平均高さ
４６第２のランナ
４７第２のランナ平均高さ
４８第２のランナ先端部
θ 倒角
δ 背面転向角
Ｕ_r ハブにおけるディスク周速
Ｃ₀ 段の等エントロピーの静圧対全圧の熱落差の等価速度＝ｓｑｒｔ（２ΔＨ_TS）

Claims

段ごとのガスの膨張によって仕事量を発生させるためのタービンであって、
当該タービンは、ガスの膨張流に一致する軸方向（１４）と、半径方向（１６）とを有し、さらに、
ケーシング内面（１２）と、
ハブ（１０）と、
軸方向第１段（３０）であって、前記ケーシング内面（１２）に固定された第１のガイド（３２）と、該第１のガイド（３２）の下流側で前記ハブ（１０）に固定された第１のランナ（３６）とを有し、該第１のランナ（３６）は、半径方向でハブ（１０）から遠い方に位置する第１のランナ先端部（３８）と、前記第１のランナ（３６）の軸方向中間点に沿った前記第１のランナ先端部（３８）と前記ハブ（１０）との間の第１のランナ平均半径方向高さ（３７）とを有する、軸方向第１段（３０）と、
前記軸方向第１段（３０）の下流側の軸方向第２段（４０）であって、前記ケーシング内面（１２）に固定された第２のガイド（４２）と、該第２のガイド（４２）の下流側で前記ハブ（１０）に固定された第２のランナ（４６）とを有し、前記第２のガイド（４２）は、前記ケーシング内面（１２）から遠い方に位置する第２のガイド先端部（４４）と、前記第２のガイド（４２）の軸方向中間点に沿った前記第２のガイド先端部（４４）と前記ケーシング内面（１２）との間の第２のガイド平均半径方向高さ（４５）とを有する、軸方向第２段（４０）と、
を備える、タービンにおいて、
前記第２のガイド平均高さ（４５）は、前記第１のランナ平均高さ（３７）よりも小さいことを特徴とする、タービン。
前記ハブ（１０）は、ハブ半径を有し、該ハブ半径は、前記第１のガイド（３２）と前記第２のランナ（４６）との間に延在しかつ前記第１のガイド（３２）と前記第２のランナ（４６）とを含む領域において一定である、請求項１記載のタービン。
前記ハブ（１０）は、ハブ半径を有し、該ハブ半径は、前記第１のガイド（３２）と前記第２のランナ（４６）との間に延在しかつ前記第１のガイド（３２）と前記第２のランナ（４６）とを含む領域で、ハブ半径が増減両方を行うように変化している、請求項１記載のタービン。
半径方向で前記ハブ（１０）から遠い方に位置する第２のランナ先端部（４８）をさらに備え、
前記ハブ（１０）と前記第１のランナ先端部（３８）との間の第１のランナ半径方向高さは、軸方向（１４）に沿って増大しており、前記第１のランナ先端部（３８）により形成される倒角（θ）は、軸方向（１４）に沿って一定であり、
第２のランナ半径方向高さは、軸方向（１４）に沿って増大しており、前記第２のランナ先端部（４８）により形成される倒角（θ）は、軸方向（１４）に沿って一定である、請求項１または３記載のタービン。
前記第１のガイド（３２）は、前記ケーシング内面（１２）に沿って軸方向（１４）で、ベルマウス形状を形成しており、前記第２のガイド（４２）は、前記ケーシング内面（１２）に沿って軸方向（１４）で、ベルマウス形状を形成している、請求項１から４までのいずれか１項記載のタービン。
前記ケーシング内面（１２）から遠い方に位置する第１のガイド先端部（３４）をさらに備え、
前記ケーシング内面（１２）と前記第１のガイド先端部（３４）との間の第１のガイド（３２）の半径方向高さは、軸方向（１４）に沿って減少しており、前記第１のガイド先端部（３４）は、軸方向（１４）に沿ってベルマウス形状を形成しており、
前記ケーシング内面（１２）と前記第２のガイド先端部（４４）との間の第２のガイド（４２）半径方向高さは、軸方向（１４）に沿って減少しており、前記第１のガイド先端部（３４）は、軸方向（１４）に沿ってベルマウス形状を形成している、請求項１から５までのいずれか１項記載のタービン。
前記第１のランナ（３６）のＫ値は、前記ハブ（１０）における０．２５から前記第１のランナ先端部（３８）における０．１６まで変化している、請求項１から６までのいずれか１項記載のタービン。
前記第２のガイド（４２）のＫ値は、前記ケーシング内面（１２）における０．１５から前記第２のガイド先端部（４４）における０．２５まで変化している、請求項１から７までのいずれか１項記載のタービン。
当該タービンは、蒸気タービンであり、前記軸方向第１段（３０）は、３０％の根元反動を有して構成されたタービンの軸方向第１段である、請求項１から８までのいずれか１項記載のタービン。
前記第１のランナ（３６）、前記第２のランナ（４６）、または前記第１のランナ（３６）および前記第２のランナ（４６）の両方の背面転向角（δ）は、２５度〜３５度の間である、請求項９記載のタービン。
前記軸方向第１段（３０）は、通常運転で、前記ハブにおけるディスク周速（Ｕ_r）と段の等エントロピーの静圧対全圧の熱落差の等価速度（Ｃ₀）との比が０．５〜０．５６の範囲にあるように構成されている、請求項９記載のタービン。
第２のガイド先端部半径対ハブ（１０）半径の比は、１．３よりも小さい、請求項９記載のタービン。
当該タービンは、ガスタービンであり、前記第１のランナ（３６）および／または前記第２のランナ（４６）の背面転向角（δ）は、２５度から３０度である、請求項１から９までのいずれか１項記載のタービン。