JP2020505555A - タービンの先端バランススリット - Google Patents

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Abstract

本出願は、タービン用の制御された先端バランススリット(200)を提供する。タービン用の例示的な漏れ流制御システム(110)は、先端シュラウド(152)、ダイアフラムまたはガイドブレード(130)、ダイアフラムに結合され、先端シュラウド(153)に隣接して配置された延長リング(160)、および先端バランススリット(200)を備えた流れランナ(150)を含み得る。【選択図】図3

Description

本出願および結果として得られる特許は、一般に、任意のタイプの軸流タービンに関し、より具体的には、蒸気タービン用の先端バランススリットに関する。
一般的に説明すると、蒸気タービンなどは、蒸気入口、タービンセクション、および蒸気出口を含む所定の蒸気経路を有することができる。より高い圧力の領域からより低い圧力の領域へと蒸気経路から流れ出し、あるいは蒸気経路へと流れ込む蒸気の漏れが、蒸気タービンの運転効率に悪影響を及ぼす可能性がある。例えば、回転シャフトと周囲を囲むタービンケーシングとの間の蒸気タービン内の蒸気経路の漏れが、蒸気タービンの全体としての効率を低下させる可能性がある。
蒸気は一般に、典型的に直列に配置されたいくつかのタービン段を流れ、第1段のガイドおよびブレード(またはノズルおよびバケット)を通過し、その後タービンの後段のガイドおよびブレードを通過する。このようにして、ガイドは蒸気をそれぞれのブレードに向け、ブレードを回転させ、発電機などの負荷を駆動させることができる。蒸気は、ブレードを囲む周方向シュラウドによって封じ込めることができ、これはまた、蒸気を経路に沿って方向付けるのに役立ち得る。このようにして、タービンガイド、ブレード、およびシュラウドは、蒸気に起因する高温にさらされる可能性があり、その結果、これらの構成要素にホットスポットが形成され、高い熱応力が生じる可能性がある。蒸気タービンの効率はその動作温度に依存するため、蒸気または高温ガス経路に沿って配置された構成要素が、故障や耐用年数の低下なしに、より高い温度に耐えられるように継続的な要求がある。
場合によっては、蒸気の主流流路からの漏れ流は、タービンエンジンの構成要素間の隙間を通って流れることがある。そのような漏れ流は、タービン効率を低下させ、混合損失、主流の流れの分裂、後続のブレード列への入射、および/または他の損失を引き起こす可能性がある。
米国特許出願公開第2016/0281518号明細書
本出願および結果として得られた特許は、タービンの漏れ流制御システムを提供する。例示的な漏れ流制御システムは、先端シュラウド、ダイアフラム、ダイアフラムに結合され、先端シュラウドに隣接して配置された延長リング、および先端バランススリットを備えた流れランナを含み得る。
本出願および結果として得られる特許はさらに、タービン内の漏れ流を制御する方法を提供する。この方法は、先端漏れジェットを先端シュラウドとタービンの第1延長リングとの間に誘導するステップと、先端漏れジェットをダイアフラムの周りに誘導するステップと、先端漏れジェットを第2延長リング間の隙間に誘導するステップと、先端漏れジェットを第2延長リングに形成された先端バランススリットを通って誘導するステップとを含んでもよい。
本出願および結果として得られる特許はさらに、漏れ流制御システムを備えた蒸気タービンを提供する。蒸気タービンは、第1先端シュラウドを備えた第1流れランナと、第2先端シュラウドを備えた第2流れランナであって、第1流れランナの下流にある第2流れランナと、ダイアフラムと、第1流れランナから第2流れランナへのダイアフラムの少なくとも一部の周りの流路と、流路の下流の先端バランススリットであって、流路から第2流れランナの近くの主流の流れに先端漏れジェットを導入するように構成された、先端バランススリットとを含んでもよい。
本出願および結果として得られる特許のこれらの特徴および改良ならびに他の特徴および改良が、以下の詳細な説明を、いくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併せて検討することによって、当業者にとって明らかになるであろう。
蒸気タービンの概略図である。 図1の蒸気タービンで使用できるタービンの一部の概略図であり、様々なタービン構造を示している。 1つまたは複数の実施形態による、本明細書で説明されるような先端バランススリットを備えた漏れ流制御システムを備えたタービンの一部の概略図である。 1つまたは複数の実施形態による、本明細書で説明するような先端バランススリットを備えた漏れ流制御システムを備えたタービンの一部の概略図である。 1つまたは複数の実施形態による、本明細書で説明するような先端バランススリットを備えた漏れ流制御システムを備えたタービンの一部の概略図である 1つまたは複数の実施形態による、本明細書で説明されるような先端バランススリットを備えた漏れ流制御システムを備えたタービンの一部の概略図である。
ここで図面を参照すると、いくつかの図を通して類似の数字は類似の要素を指しており、図1が、蒸気タービン10の一例の概略図を示している。一般的に説明すると、蒸気タービン10は、高圧セクション15および中圧セクション20を含むことができる。ロータホイールは、セクション15および20を通って延伸してもよい。他のセクションにおける他の圧力も、本明細書において使用可能である。外殻またはケーシング25を、上半分30および下半分35へと軸方向に分割することができる。ケーシング25の中央部40が、高圧蒸気入口45および中圧蒸気入口50を含むことができる。ケーシング25内で、高圧セクション15および中圧セクション20を、ロータまたはディスク55を中心にして配置することができる。ディスク55を、いくつかのベアリング60によって支持することができる。蒸気シールユニット65を、各々のベアリング60の内側に配置することができる。環状のセクション仕切り70を、中央部40からディスクに向かって半径方向内側に延ばすことができる。仕切り70は、いくつかのパッキンケーシング75を含むことができる。他の構成要素および他の構成も、使用することが可能である。
動作時に、高圧蒸気入口45は、蒸気源から高い圧力および蒸気を受け取る。蒸気は、ディスク55の回転によって蒸気から仕事が抽出されるように、高圧セクション15を通って導かれる。蒸気を、高圧セクション15を出た後に、再加熱のために蒸気源へと戻すことができる。次いで、再加熱後の蒸気を、中圧セクションの入口50へと再び導くことができる。蒸気を、高圧セクション15に進入する蒸気と比べて低い圧力および高圧セクション15に進入する蒸気の温度にほぼ等しい温度で、中圧セクション20へと戻すことができる。したがって、高圧セクション15における動作圧力が中圧セクション20における動作圧力よりも高くなる可能性があるため、高圧セクション15内の蒸気が、高圧セクション15と中圧セクション20との間に生じ得る漏洩経路を通って、中圧セクション20に向かって流れる傾向にある。そのような漏洩経路の1つは、ディスクシャフト55の周囲でパッキンケーシング75を通って延びる可能性がある。他の漏洩が、蒸気シールユニット65および他の場所において生じる可能性がある。特定の実施形態の文脈で説明しているが、本開示の他の実施形態は、ドラムロータ構造を備えた反動技術ブレーディング(RTB)などのタービン構造の他の方法で、またはガイドおよびシールをケーシングに直接取り付けることができる場合に使用することができる。
図2は、蒸気タービン10の一部の様々な構造の概略図を示している。蒸気タービン10は、インパルス構造80を有することができる。インパルス構造のタービンは、根元部の反動が低く、ディスクおよびダイアフラムの構造を有してもよい。図示のように、インパルス構造80は、互いに隣接するガイドとランナを含むことができる。他の実施形態では、タービン10は、反動技術ブレーディング90を有することができる。反動技術ブレーディング90は、反動ドラム構造を有していてもよく、ランナとの1つまたは複数のダブテールを含んでいてもよい。ダブテールは、それぞれのランナをドラムに固定するために使用できる。特定の実施形態は、インパルスおよび反動技術ブレーディングと共に使用されてもよい。他の実施形態は異なる構成を有してもよい。
図3は、本明細書で使用することができる漏れ流制御システム110を備えた蒸気タービン100の一部の概略図を示している。漏れ流制御システム110は、蒸気タービン100の1つまたは複数の構成要素を通る漏れ流を制限するために使用することができる。漏れ流制御システム110は、外側ケーシング120、ダイアフラム130、または他の場所の周りで使用することができる。
蒸気タービン100は、タービン100の異なる段のために、いくつかの流れガイド140およびいくつかのブレードまたは流れランナ150を含むことができる。例えば、図示された流れランナ150は第1段ランナであってもよく、図示されたフローガイド140は第1段ガイドであってもよい。フローガイド140および流れランナ150は、ディスクまたはドラムに結合されてもよい。任意の数の段および/またはガイドおよびランナを含むことができる。
流れランナ150の1つまたは複数、あるいはそれぞれは、先端、ブレード、および根元部を含み得る。根元部は、ランナをタービン100のディスクまたはドラムに結合するように構成されてもよい。ブレードは根元部と先端の間に配置することができる。いくつかの実施形態では、先端シュラウド152は、流れランナ150の先端に結合されるか、あるいはその他の方法で形成されてもよい。
ダイアフラム130は、タービンケーシング120内の圧力段の前に仕切りを形成することができる。ダイアフラム130は、段間でノズルおよび/またはシールを保持してもよい。ダイアフラム130は、プラットフォームダイアフラムであってもよい。延長リング160をダイアフラム130の一部に結合するか、あるいはその他の方法で取り付けることができる。延長リング160は、流れランナ150の先端シュラウド152に隣接して配置することができる。延長リング160は、延長リング160から先端シュラウド152に向かって延びるいくつかのシールフィン162を含むことができる。
延長リング160のシールフィン162と流れランナ150の先端シュラウド152との間に隙間170を形成することができる。隙間170は、タービン100の運転中に流れランナ150の移動用のクリアランスを生成するように形成されてもよい。動作中、先端漏れジェット180などの漏れ流は、タービン100の一部を通って流れる場合がある。先端漏れジェット180は、主流の流れ190の一部であってもよい。例えば、先端漏れジェット180は、シールフィン162および/または延長リング160の別の部分と流れランナ150との間の隙間170を通って流れることができる。
先端漏れジェット180は、タービン100の効率および/または性能の低下を引き起こす可能性がある。先端漏れジェット180は、隙間170を通って流れ、主流の流れ190に再び入ることができる。しかし、先端漏れジェット180は、主流の流れを乱し、漏れと主流の流れとの間の混合損失を引き起こす可能性がある。先端漏れジェット180はまた、エントロピーを増加させ、下流のブレード列への入射を増加させる場合がある。
漏れ流制御システム110は、先端漏れジェット180によって引き起こされる損失を低減または排除することができる。図3の例では、漏れ流制御システム110は、1つまたは複数の先端バランススリット200を含むことができる。先端バランススリット200は、ダイアフラム130または外側ケーシング120に形成されてもよい。先端バランススリット200は、穴、スリット、または先端漏れジェット180などの流体が流れる経路を形成する別の開口部であってもよい。先端バランススリット200は、半径方向外向きにダイアフラム130に形成されてもよい。例えば、図3に示されるように、先端バランススリット200は、流体が隙間170から下流に流れるための傾斜経路を作るように形成されてもよい。したがって、先端バランススリット200は、先端漏れジェット180のための下流経路を形成し得る。先端バランススリット200は、一例では、ダイアフラムの一部を機械加工またはその他の方法で除去することによって形成されてもよく、タービン100の周りに周方向または部分的周方向スロットを形成してもよい。
漏れ流制御システム110は、先端バランススリット200の端部212にチャンバ210を含むことができる。チャンバ210は、先端バランススリット200の一部であってもよく、先端バランススリット200と流体連通してもよい。チャンバ210は、先端バランススリット200よりもサイズおよび/または直径が大きくてもよい。漏れ流制御システム110は、チャンバおよび/または先端漏れジェット180を主流の流れ190に再導入するように構成された先端バランススリット200と連通する先端バランススリット出口220を含むことができる。先端バランススリット出口220は、先端バランススリット200と同じ角度または向きで、または異なる角度または向きで角度を付けられ、または方向付けられてもよい。図3に示されるように、先端バランススリット出口220は、主流の流れ190に対して角度を付けて、または部分的に角度を付けてもよい。
1つまたは複数の先端バランス穴またはスリット200を備えた漏れ流制御システム110は、ダイアフラム130の周りに先端漏れジェット180を誘導し、タービンシュラウドに積極的な仕事を与え、蒸気ブランケットまたはシール効果をもたらしてもよい。
図4A〜図4Bは、本明細書に記載の漏れ流制御システム300の別の実施形態を示している。図4では、タービン310は、第1シュラウド322を備えた第1流れランナ320と、第2シュラウド332を備えた第2流れランナ330と、第3シュラウド342を備えた第3流れランナ340とを含むことができる。タービン310は、反動技術ブレーディング構造を有してもよい。タービン310は、第1流れランナ320と第2流れランナ330との間に第1ダイアフラム350を含み、第2流れランナ330と第3流れランナ340との間に第2ダイアフラム360を含んでもよい。第2流れランナ330は、第1流れランナ320に対応するタービン段よりも比較的低い圧力を有するタービン段に対応してもよい。同様に、第3流れランナ340は、第2流れランナ330に対応するタービン段よりも比較的低い圧力を有するタービン段に対応してもよい。第2流れランナ330は、第1流れランナ320の下流にあってもよく、第3流れランナ340は、第2流れランナ330の下流にあってもよい。
タービン310は、第1先端シュラウド322に隣接する第1ダイアフラム350に結合され得る第1延長リング370を含み得る。第2延長リング380は、第2先端シュラウド332に隣接する第2ダイアフラム360に結合されてもよい。先端漏れジェット390は、第1延長リング370と第1先端シュラウド322との間の隙間400を通って流れることができる。
漏れ流制御システム300は、第1ダイアフラム250の少なくとも一部を通る流路410を含むことができる。流路410は、第1ダイアフラム350の周りに延びていてもよく、タービン310内の構成要素間の開口部または隙間であってもよい。具体的には、流路410は、一例では、第1流れランナ320から第2流れランナ330まで、または第1流れランナ320および第2流れランナ330のいずれかまたは両方に隣接する領域まで延びてもよい。流路410は、完全な360度の入口を有し得る。
流路410の一部または全部は、破砕ペグ、柱、スリット、またはそれらの組み合わせのうちの1つまたは複数によって形成されてもよい。ダイアフラムヘッドを配置するために、破砕ペグなどを使用できる。例えば、破砕ペグ、柱などを使用して、1つまたは複数のタービン構成要素に追加の隙間、スリット、または穴を形成することができる。流路の一部は、ガイドの圧力面470の隙間に沿って、または隙間によって形成され、第1先端バランススリットを形成するが、他の実施形態では、ランナに隣接する延長リングで流体シールを使用して、先端漏れ流用の出口480を提供する。いくつかの実施形態は、これらの構成の一方または他方、または両方を使用してもよい。
流路410は、第2延長リング380とケーシングおよび/またはダイアフラムとの間の空間またはチャンバ420と流体連通していてもよい。いくつかの実施形態では、第2延長リング380は、先端漏れジェット390を主流の流れに再導入するように短縮またはその他の方法で変更されてもよい。他の実施形態では、第2延長リング380の下流セクションは、ケーシング内に配置されてもよく(例えば、バネ付きグランドなど)、またはダイアフラムの下流に配置されてもよい。ダイアフラムの下流に位置する場合、先端漏れスロットを使用して、空間から先端漏れ流390を抽出することができる。
具体的には、タービン310は、第1ダイアフラム350と第2延長リング380との間に隙間450を含むことができる。先端漏れジェット390の少なくとも一部は、流路410を通って隙間450に流れ込むことができる。
流体シール460は、隙間450に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、流体シール460は、先端バランススリットの端部、または隙間450の下流セクション、および/またはタービンの外側ケーシングに配置することができる。流体シール460は、漏れ流が延長リングの後ろを通過するのを防ぐように配置されてもよい。流体シール460は、漏れ流損失を低減してもよく、特定の故障を起こしにくい可能性がある。
流路410を使用して、第1ダイアフラム350を横切って漏れ流を通過させることができる。先端漏れジェット390は、第1ダイアフラム350の周りの流路410内へ、および第2延長リング380とダイアフラムまたはケーシングとの間の空間内へ流れ込んでもよい。
1つまたは複数の先端バランススリット430を第2延長リング380に形成して、先端漏れジェット390を空間から主流の流れに再導入することができる。例えば、第1先端バランススリット440は、流路410の下流にあってもよく、先端漏れジェット390を流路410から第2流れランナ330の近くの主流の流れに導入するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、第1先端バランススリット440は、角度付き先端バランススリットであってもよく、一方、他の実施形態では、第1先端バランススリット440は、直線先端バランススリットであってもよい。いくつかの実施形態は、2つ以上のタイプの先端バランススリットを含むことができる。
漏れ流制御システム300は、第2先端バランススリットを含んでもよく、これは第1先端バランススリット440に隣接して配置された角度付き先端バランススリット450であってもよい。角度付き先端バランススリット450は、延長リングに形成されてもよく、先端漏れジェットを主流の流れに対向して再導入するように構成されてもよい。例えば、角度付き先端バランススリット450は、先端漏れ流390の一部を主流の流れの上流、または主流の流れに対向して導入するように角度を付けることができる。角度付き先端バランススリット450は、第1先端バランススリット440の下流にあってもよい。
したがって、漏れ流制御システム300は、先端漏れ流を飲み込み、シュラウド上に流れを旋回させて、風損を最小限にし、蒸気ブランケット効果を提供することができる。段効率利得が向上する場合がある。
図5では、蒸気タービン500の一部が漏れ流制御システム510と共に示されている。漏れ流制御システム510は、延長リング530に1つまたは複数の角度付きスロット520を含むことができる。延長リング530は、短縮および/または単純化された延長リングであってもよい。主流の流れとの相互作用を制限するために、上流および/または下流のダイアフラムにシール機能を含めることができる。バネ付きシール540をケーシング内に配置することができ、これにより、ケーシングの歪みによりわずかに隙間が増加するが、全体として損失が減少し、段効率が向上する。
タービンの漏れ流を制御する方法は、先端シュラウドとタービンの第1延長リングとの間に先端漏れジェットを誘導するステップと、ダイアフラムの周りに先端漏れジェットを誘導するステップと、第2延長リング間の隙間に先端漏れジェットを誘導するステップと、先端漏れジェットを第2延長リングに形成された先端バランススリットを通って誘導するステップとを含んでもよい。
本明細書で説明する漏れ流制御システムの結果として、蒸気タービンの段効率利得は約0.50%であり、混合損失が低減し、次のブレード列の二次損失/入射が低減する可能性がある。特定の実施形態を使用して、既存の蒸気タービンを改造することができる。特定の実施形態は、タービンシュラウドに積極的な仕事をする1つまたは複数の先端バランススリットまたは穴を含むことができ、蒸気ブランケットまたはシール効果を提供することができる。したがって、漏れ流制御システムは、蒸気タービンのコストや複雑さを増やさずに、機械的信頼性を維持または改善しながら、段効率を改善する可能性がある。排出量が削減される場合がある。先端バランス穴は、主流の流れの取り込みを防ぎ、それによりタービン出力を増加させる場合がある。特定の実施形態は、インパルスおよび反動技術ブレーディングと共に使用されてもよい。
以上が、あくまでも本出願および得られる特許のうちの特定の実施形態に関するにすぎないことは、明らかである。当業者であれば、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定められる本発明の一般的な趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書において数多くの変更および修正を行うことが可能である。
10 蒸気タービン
15 高圧セクション
20 中圧セクション
25 ケーシング
30 上半分
35 下半分
40 中央部
45 高圧蒸気入口
50 中圧蒸気入口
55 ディスク、ディスクシャフト
60 ベアリング
65 蒸気シールユニット
70 セクション仕切り
75 パッキンケーシング
80 インパルス構造
90 反動技術ブレーディング
100 蒸気タービン
110 漏れ流制御システム
120 外側ケーシング、タービンケーシング
130 ダイアフラム
140 フローガイド
150 流れランナ
152 先端シュラウド
160 延長リング
162 シールフィン
170 隙間
180 先端漏れジェット
200 先端バランススリット
210 チャンバ
212 端部
220 先端バランススリット出口
250 第1ダイアフラム
300 漏れ流制御システム
310 タービン
320 第1流れランナ
322 第1先端シュラウド
330 第2流れランナ
332 第2先端シュラウド
340 第3流れランナ
342 第3シュラウド
350 第1ダイアフラム
360 第2ダイアフラム
370 第1延長リング
380 第2延長リング
390 先端漏れジェット、先端漏れ流
400 隙間
410 流路
420 チャンバ
430 先端バランススリット
440 第1先端バランススリット
450 隙間、角度付き先端バランススリット
460 流体シール
470 圧力面
480 出口
500 蒸気タービン
510 漏れ流制御システム
520 角度付きスロット
530 延長リング
540 バネ付きシール

Claims (14)

  1. タービン(10、100、310、500)用の漏れ流制御システム(110、300、510)であって、
    先端シュラウド(152)を備えた流れランナ(150)と、
    ダイアフラム(130)またはガイドブレードと、
    前記ダイアフラム(130)または前記ガイドブレードに結合され、前記先端シュラウド(152)に隣接して配置された延長リング(160、530)と、
    前記ダイアフラム(130)または前記ガイドブレードに少なくとも部分的に形成された先端バランススリット(200、430)と
    を備える、漏れ流制御システム(110、300、510)。
  2. 流体シール(460)を前記先端バランススリット(200、430)の端部にさらに備える、請求項1に記載の漏れ流制御システム(110、300、510)。
  3. 前記流体シール(460)が、前記タービン(10、100、310、500)の外側ケーシング(120)に配置されている、請求項2に記載の漏れ流制御システム(110、300、510)。
  4. 前記流体シール(460)は、前記ダイアフラム(130)または前記ガイドブレードの下流セクションに配置される、請求項2に記載の漏れ流制御システム(110、300、510)。
  5. 前記流体シール(460)は、漏れ流が前記延長リング(160、530)の後ろを通過するのを防ぐように配置される、請求項2に記載の漏れ流制御システム(110、300、510)。
  6. 前記ダイアフラム(130)または前記ガイドブレードの周りの先端漏れジェット(180、390)用の流路(410)と、
    前記延長リング(160、530)と前記ダイアフラム(130)または前記ガイドブレードとの間の隙間(170、400、450)であって、前記先端漏れジェット(180、390)の少なくとも一部は、前記流路(410)を通って前記隙間(170、400、450)に流れ込む、隙間(170、400、450)と
    をさらに備え、
    前記先端バランススリット(200、430)は前記延長リング(160、530)に形成されている、請求項1に記載の漏れ流制御システム(110、300、510)。
  7. 前記流路(410)の少なくとも一部が、破砕ペグ、柱、スリット、またはそれらの組み合わせのうちの1つまたは複数によって形成された開口部を備える、請求項6に記載の漏れ流制御システム(110、300、510)。
  8. 前記隙間(170、400、450)に配置された流体シール(460)をさらに備える、請求項6に記載の漏れ流制御システム(110、300、510)。
  9. 前記延長リング(160、530)に形成された角度付き先端バランススリット(450)をさらに備え、前記角度付き先端バランススリット(450)は、前記先端漏れジェット(180、390)を主流の流れに対向して再導入するように構成される、請求項6に記載の漏れ流制御システム(110、300、510)。
  10. 前記延長リング(160、530)と前記先端シュラウド(152)との間に隙間(170、400、450)をさらに備え、先端漏れジェット(180、390)が前記隙間(170、400、450)を通って流れる、請求項1に記載の漏れ流制御システム(110、300、510)。
  11. 前記先端バランススリット(200、430)が半径方向外向きに前記ダイアフラム(130)または前記ガイドブレードに形成され、前記先端バランススリット(200、430)が前記先端漏れジェット(180、390)用の下流経路を形成する、請求項10に記載の漏れ流制御システム(110、300、510)。
  12. 前記先端バランススリット(200、430)の端部にチャンバ(210,420)をさらに含む、請求項1に記載の漏れ流制御システム(110、300、510)。
  13. 前記先端漏れジェット(180、390)を主流の流れに再導入するように構成された先端バランススリット出口(220)をさらに備える、請求項1に記載の漏れ流制御システム(110、300、510)。
  14. 前記延長リング(160、530)は、複数のシールフィン(162)を備える、請求項1に記載の漏れ流制御システム(110、300、510)。
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