JP5237601B2 - 蒸気タービンノズルボックス及び蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、総括的には蒸気タービンに関し、より具体的には、蒸気タービンで使用するためのノズルボックスに関する。

少なくとも幾つかの公知の蒸気タービンは、タービンの第１段に向かって流体を導くのを可能にするノズルボックスを含む。少なくとも幾つかの公知のノズルボックスは各々、複数の入口と、環状領域と、複数の吐出ノズルとを含む。入口は、環状領域内に蒸気を導く。各入口から吐出された蒸気は一般的にその圧力が変化しているので、環状領域により、様々な入口から吐出された蒸気を混合して該領域全体にわたって実質的に均一に分布した圧力を得ることが可能になる。蒸気は、環状領域から複数のノズルを通してタービンロータの第１段に向かって吐出される。

少なくとも幾つかの公知のノズルボックスの環状領域は、円形の断面を有する。さらに、少なくとも幾つかの公知のノズルボックス入口は、領域の接線方向に延びる線に対して実質的に直角な方向に蒸気が環状領域内に吐出されるように配向されている。しかしながら、環状領域の円形の断面及び入口の配向は、環状領域全体にわたって不均一な流れ分布を生じて、環状領域の一部分が、蒸気流の不足を引き起こすようになる可能性がある。そのような不均一な流れは、不均一な蒸気圧分布を形成する可能性があり、この不均一な蒸気圧分布により、ノズルを通して蒸気が不均一な圧力で吐出される時に、タービン内に振動を引き起こすおそれがある。そのような振動状態で継続して作動させることは、タービンの有効寿命を減少させ、また／又はタービンに関連する維持コストを増加させるおそれがある。
米国特許第５３９２５１３号明細書 米国特許第５９２７９４３ 号明細書 米国特許第６１９６７９３号明細書 米国特許第６４１６２７７号明細書 米国特許第６７５４９５６ 号明細書

１つの態様では、蒸気タービンノズルボックスを提供し、本ノズルボックスは、外側環状壁と該外側環状壁から半径方向内側に位置した内側環状壁とによって形成された環状チャンバと、環状チャンバと流れ連通状態で結合された複数の入口とを含む。入口は、入口軸方向中心線に対して傾斜した吐出角度で環状チャンバ内に蒸気を吐出するのを可能にするように配置される。

別の態様では、蒸気タービンを提供し、本蒸気タービンは、タービンと、該タービンで使用するためにその中に蒸気を導くように構成されたノズルボックスとを含む。ノズルボックスは、環状チャンバと、複数の入口と、複数のノズルとを含む。環状チャンバは、外側環状壁と該外側環状壁から半径方向内側に位置した内側環状壁とによって形成される。複数の入口は、該入口が入口軸方向中心線に対して傾斜した吐出角度でそこから環状チャンバ内に蒸気を吐出するように該環状チャンバと流れ連通状態で結合される。複数のノズルは、環状チャンバと流れ連通状態で結合されかつタービンに向かって蒸気を吐出するように構成される。

またここでは、蒸気タービンノズルボックスを製作する方法を開示し、この方法は、半径方向外側壁と半径方向内側壁とによって形成された環状チャンバを形成する段階と、入口軸方向中心線に対して傾斜した吐出角度で複数の入口の各々から環状チャンバ内に蒸気が吐出されるように、環状チャンバと流れ連通状態で該複数の入口を結合する段階とを含む。

図１は、高圧（ＨＰ）セクション１０２と中圧（ＩＰ）セクション１０４とを含む例示的な対向流蒸気タービンエンジン１００の概略断面図である。ＨＰシェルすなわちケーシング１０６は、軸方向にそれぞれ上半部及び下半部セクション１０８及び１１０に分割される。この例示的な実施形態では、シェル１０６及び１０８は、内側ケーシングである。それに代えて、シェル１０６及び１０８は、外部ケーシングである。ＨＰセクション１０２及びＩＰセクション１０４間に配置された中央セクション１１８は、高圧蒸気入口１２０と中圧蒸気入口１２２とを含む。ノズルボックス（図１には図示せず）は、高圧蒸気入口１２０及び高圧セクション１０２と中圧蒸気入口１２２及び中圧セクション１０４との各々間に流体結合される。

作動時に、高圧蒸気入口１２０は、例えば発電ボイラ（図１には図示せず）などの蒸気源から高圧／高温蒸気を受ける。蒸気は、高圧蒸気入口１２０から第１のノズルボックス（図１には図示せず）を通って、入口ノズル１３６を通ってかつＨＰセクション１０２を通って流れて、ＨＰセクション１０２において、ロータシャフト１４０に結合された複数のタービンブレードすなわちバケット（図１には図示せず）により蒸気から仕事を抽出して、ロータシャフト１４０を回転させる。

この例示的な実施形態では、蒸気タービン１００は、対向流型高圧及び中圧蒸気タービン複合装置である。それに代えて、本発明は、それに限定されないが、低圧タービンを含むあらゆる個別のタービンで使用することができる。さらに、本発明は、対向流蒸気タービンでの使用に限定されるものではなくて、それに限定されないが、単流及び複流蒸気タービンを含む蒸気タービン構成でも使用することができる。

図２は、蒸気タービンエンジン１００で使用することができる蒸気タービンノズルボックス２００の斜視図である。この例示的な実施形態では、ノズルボックス２００は、環状チャンバ２０２と、該環状チャンバ２０２と流れ連通状態で結合された２つの入口２０４とを含み、各入口２０４は、軸方向中心線Ｃ_１を有する。図３は、ノズルボックス２００及び環状チャンバ２０２の部分断面図である。この例示的な実施形態では、環状チャンバ２０２の半円形半部分のみを説明する。この例示的な実施形態では、ノズルボックス２００は、各入口２０４の間で等距離に間隔を置いた垂直中心線C_１を含む。別の実施形態では、ノズルボックス２００は、２つよりも多い又は少ない入口２０４を含むことができる。

環状チャンバ２０２は、第1のセクション２０６と、第２のセクション２０８と、それらの間で一体形に延びる中央セクション２１０とを含む。２つよりも多い又は少ない入口２０４を有する実施形態では、環状チャンバ２０２は、３つよりも多い又は少ないセクションを含むことができる。環状チャンバ２０２はまた、内側環状壁２１４と該内側環状壁２１４から半径方向外側に位置した外側環状壁２１６とによって形成された流路２１２を含む。流路２１２は、流路の第1のセクション２１８と、流路の第２のセクション２２０と、流路の中央セクション２２２とを含む。具体的には、この例示的な実施形態では、流路の第1のセクション２１８は、チャンバの第1のセクション２０６内部に形成され、流路の第２のセクション２２０は、チャンバの第２のセクション２０８内部に形成され、また流路の中央セクション２２２は、チャンバの中央セクション２１０内部に形成される。さらに、各入口２０４は、それを貫通して形成されて流路２１２と流れ連通状態で結合された流路２２４を含む。具体的には、第１の入口流路２２６は、流路の第1のセクション２１８と流れ連通状態で結合され、また第２の入口流路２２８は、流路の第２のセクション２２０と流れ連通状態で結合される。

作動時に、蒸気は、入口２０４を通って環状チャンバ２０２内に流れ込む。具体的には、蒸気は、入口流路２２６及び２２８を通して導かれかつ環状チャンバ２０２内に吐出され、その場合、入口流路２２６から吐出された蒸気は、流路の第1のセクション２１８に流入し、また入口流路２２８から吐出された蒸気は、流路の第２のセクション２２０に流入する。環状チャンバ２０２内部で、該環状チャンバ２０２が全体にわたって均一に分布した圧力を有する単一構造の流路２１２を形成するのを可能にするように、流路の第1のセクション２１８と流路の第２のセクション２２０とは、流れ連通状態で流路の中央セクション２２２と結合される。具体的には、入口流路２２６及び２２８を通って導かれた蒸気は、環状チャンバ２０２内部で混合されて、ノズルボックス２００から吐出される蒸気は、均一な温度及び圧力を持つようになる。蒸気は、複数のノズル（図２には図示せず）を通してノズルボックス２００からタービンの第１段内に吐出される。環状チャンバ２０２内部での蒸気の混合により、複数のノズルの各々を通して等しい温度及び圧力で蒸気を吐出することが可能になる。従って、タービンの第１段内部での振動は、低減することが可能になる。

図４は、公知のノズルボックスの一部分によって形成された公知の流路２５０の一部分の側面図である。図５は、流路２５０の斜視図である。具体的には、図４及び図５は、環状流路２５０の四分の一セクションのみを示している。流路２５０は、入口流路２５２と、流路の第1のセクション２５４と、流路の中央セクション２５６とを含む。流路のセクション２５４及び２５６は、それらの入口流路２５２との交差部にそれぞれ形成された実質的に円形の断面積A_１及びA_２を有する。さらに、この例示的な実施形態では、入口流路２５２もまた、円形の断面積A_３を有する。さらに、流路の中央セクション２５６は、入口流路２５２から距離D₁の位置における三角形の断面積A_４に向かって漸減する。

作動時に、入口流路２５２を通して導かれた蒸気は、入口流路中心線C_３と実質的に平行な吐出経路P_１を通して、公知の環状チャンバ内に吐出される。入口流路２５２から吐出された蒸気は、流路２５４及び２５６を通して導かれる。しかしながら、蒸気は経路Ｐ_１に沿って球状の終端部Ｓ₁内に吐出されるので、蒸気は、流路２５４及び２５６全体にわたっては均一に混合されない。さらに、流路２５４及び２５６の断面積Ａ_１及びＡ_２は、該流路２５４及び２５６全体にわたる蒸気の流れを制限して、蒸気が中央セクション流路２５６の上部区域２５８内に拡散しないようにする。

蒸気流の分散が制限されるので、公知の環状チャンバ内部では、蒸気不足ポッケットが形成される可能性がある。例えば、区域２５８内には、少なくとも１つの蒸気不足ポケットが形成されることになる。蒸気不足ポケットは、公知の環状チャンバ内部に不均一な蒸気圧及び温度の分布を引き起こし、それはさらに、公知のノズルボックスから吐出される蒸気圧の不均一な分布を生じさせる。具体的には、少なくとも幾つかの公知のノズルボックスのノズルは、様々な温度及び圧力で蒸気を吐出する。しかしながら、タービン内に不均一な圧力及び温度で蒸気を吐出することにより、タービン内部に振動が生じる可能性があり、そのことは、タービンの維持コストの増加を引き起こし、また／又はタービンの寿命を減少させるおそれがある。

図６は、環状チャンバ２０２によって形成されたノズルボックス流路２１２の一部分の側面図である。図７は、流路２１２の斜視図である。さらに、図６及び図７は、環状流路２１２の四分の一セクションのみを示している。この例示的な実施形態では、入口流路２２６は、入口２０４によって形成され、流路の第1のセクション２１８は、チャンバの第1のセクション２０６によって形成され、また流路の中央セクション２２２は、チャンバの中央セクション２１０によって形成される。

流路の第1のセクション２１８及び流路の中央セクション２２２の両方は、それらの入口流路２２６との交差部によって形成されたそれぞれの楕円形の断面積Ａ_５及びＡ_６を有する。断面積Ａ_６は、入口流路２２６から距離Ｄ_１の位置における矩形の断面積Ａ_７に移行する。入口流路２２６は、円形の断面積Ａ_８及び半径部分３００を含む。半径部分３００は、入口流路２２６と第1のセクション流路２１８と中央セクション流路２２２との間の交差部に位置する入口流路端部３０２の位置に形成される。

作動時に、入口流路２２６を通って導かれた蒸気は、入口中心線Ｃ_１に対して傾斜した角度θ_１でかつ流路２１８及び２２２の内側壁の接線方向に形成された吐出経路Ｐ_２の環状チャンバ２０２内に吐出される。より具体的には、この例示的な実施形態では、経路Ｐ_２は蒸気が第２のノズルボックス入口２０４に向かって吐出されるように配向される。従って、この例示的な実施形態では、第１の入口２０４から吐出される蒸気は、第２の入口２０４に向かって吐出され、また第２の入口２０４から吐出される蒸気は、第１の入口２０４に向って吐出される。別の実施形態では、蒸気は、入口中心線Ｃ_１に対して傾斜したあらゆる他の適当な方向に吐出させることができる。

通路Ｐ_２の配向と断面積Ａ_５及びＡ_６との組合せにより、入口流路２２６を通して吐出された蒸気を混合することが可能になる。具体的には、蒸気は、流路２１８及び２２２内部で混合する。さらに、流路２１８及び２２２の断面積Ａ_５及びＡ_６は、その中で蒸気が混合することができるより大きなトロイダル区域を形成して、蒸気が流路２１８及び２２２の全体を満たすことを可能にする。より具体的には、蒸気は、垂直中心線Ｃ_２近くの流路２２２内に形成される可能性があるポケット３０４のような蒸気不足ポケットを満たすことが可能になる。さらに、より大きなトロイダル区域と通路Ｐ_２に沿った蒸気流との組み合わせは、環状チャンバ２０２内部での蒸気の混合を高めるのを可能にする。従って、環状チャンバ２０２全体にわたる圧力及び温度は、均一に分布させることが可能になる。その結果、ノズルボックス２００の各ノズルを通して吐出される蒸気は、タービンに吐出された時に、均一な圧力及び温度を持つことが可能になる。従って、タービン内部での振動を低減して、タービンのより良好な効率と寿命を可能にすることができるようになる。

図８は、流路２５０の断面図上に重ね合わせた流路２１２の断面図である。具体的には、図８は、楕円形の断面積Ａ_５及びＡ_６と比べた円形の断面積Ａ_１及びＡ_２の比較である。流路２５０は、点線３５０によって示しており、また流路２１２は、実線３５２によって示している。

上記の方法及び装置は、ノズルボックスから吐出される蒸気の圧力及び温度を均一に分布させることによってタービン効率を向上させるのを可能にする。具体的には、ノズルボックスは、楕円形の断面積と、ノズルボックス入口に対して傾斜した角度でノズルボックス内に蒸気を吐出する入口流路とを含む。楕円形の断面積及び強化した流路により、ノズルボックス全体にわたって蒸気を均一に分布させることが可能になる。従って、ノズルボックス内部の蒸気不足ポケットが防止され、ノズルボックス全体にわたる蒸気の圧力及び温度が、均一に分布した状態になるのを可能にする。ノズルボックス全体にわたって蒸気の圧力及び温度を均一に分布させることによって、タービン内に吐出される蒸気の圧力及び温度が同様に均一に分布して、タービン内部での振動を殆どなくすことを可能にし、従って、タービンの有効寿命を増加させ、かつタービンに関連する維持コストを減少させる。

本明細書で使用する場合、単数表現でなくかつ数詞のない表現で記載した要素又は段階は、そのような排除を明確に示していない限り、複数のそのような要素又は段階を排除するものではないことを理解されたい。さらに、本発明の「１つの実施形態」という表現は、記載した特徴にさらに組み入れた付加的な実施形態の存在を排除するものとして解釈することを意図するものでない。

本明細書に記載した装置及び方法は、蒸気タービン用のノズルボックスに関して説明しているが、本装置及び方法は、ノズルボックス又は蒸気タービンに限定されるものではないことを理解されたい。同様に、例示したノズルボックス構成部品は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、ノズルボックスの構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品から独立してかつ別個に利用することができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の改良で実施することができることは当業者には分かるであろう。

例示的な対向流蒸気タービンエンジンの概略断面図。 図１に示すエンジンで使用することができるノズルボックスの斜視図。 図２に示すノズルボックスの部分断面図。 ノズルボックスを通る公知の流路の一部分の側面図。 図４に示す流路の斜視図。 図２及び図３に示すノズルボックスを通る流路の一部分の側面図。 図６に示す流路の斜視図。 図６及び図７に示す流路の断面図上に重ね合わせた、図４及び図５に示す流路の概略断面図。

符号の説明

１００ 蒸気タービン
１０２ 高圧セクション
１０４ 中圧セクション
１０６ シェル
１０６ ケーシング
１０８ 半部セクション
１１８ 中央セクション
１２０ 高圧蒸気入口
１２２ 中圧蒸気入口
１３６ 入口ノズル
１４０ ロータシャフト
２００ ノズルボックス
２０２ 環状チャンバ
２０４ 入口
２０６ 第1のセクション
２０８ 第２のセクション
２１０ 中央セクション
２１２ 流路
２１４ 内側環状壁
２１６ 外側環状壁
２１８ 第1のセクション
２２０ 第２のセクション
２２２ 中央セクション
２２４ 流路
２２６ 入口流路
２５８ 上部区域
３００ 半径部分
３０２ 入口流路端部
３０４ ポケット

Claims (5)

1. 外側環状壁（２１６）と前記外側環状壁から半径方向内側に位置した内側環状壁（２１４）とによって形成された環状チャンバ（２０２）と、
   前記環状チャンバと流れ連通状態で結合された複数の入口（２０４）と、
   前記環状チャンバと流れ連通状態で結合された複数のノズル（１３６）と、
   を含み、
   前記入口が、入口軸方向中心線に対して傾斜した吐出角度で前記環状チャンバ内に蒸気を吐出するのを可能にするように配置され、
   前記環状チャンバが、第１の入口流路の交差部における実質的な楕円形から、第２の入口流路に隣接する実質的な矩形に移行する断面積を有する流路を含み、
   前記複数の入口（２０４）の第１の入口が、該複数の入口の第２の入口に向って前記環状チャンバ（２０２）内に蒸気を吐出するように配向され、前記第２の入口が、前記第１の入口に向って前記環状チャンバ内に蒸気を吐出するように配向される、
   蒸気タービンノズルボックス（２００）。
2. 前記複数の入口（２０４）が、前記環状チャンバ（２０２）内部に実質的に均一に蒸気流を分布させるのを可能にする、請求項１に記載のノズルボックス（２００）。
3. 前記複数の入口（２０４）が、前記環状チャンバ（２０２）内部に蒸気不足ポケット（３０４）が形成されることを防止するのを可能にする、請求項１に記載のノズルボックス（２００）。
4. 前記複数の入口（２０４）が、前記環状チャンバ（２０２）全体にわたって実質的に等しい圧力で蒸気を吐出するのを可能にする、請求項１に記載のノズルボックス（２００）。
5. タービンと、
   前記タービンで使用するためにその中に蒸気を導くように構成されたノズルボックス（２００）と、
   を含み、前記ノズルボックスが、
   環状チャンバ（２０２）と、複数の入口（２０４）と、複数のノズル（１３６）とを含み、
   前記環状チャンバが、外側環状壁（２１６）と前記外側環状壁から半径方向内側に位置した内側環状壁（２１４）とによって形成され、
   前記複数の入口が、該入口が入口軸方向中心線に対して傾斜した吐出角度でそこから前記環状チャンバ内に蒸気を吐出するように該環状チャンバと流れ連通状態で結合され、
   前記複数のノズルが、前記環状チャンバと流れ連通状態で結合されかつ前記タービンに向かって蒸気を吐出するように構成され、
   前記環状チャンバが、第１の入口流路の交差部における実質的な楕円形から、第２の入口流路に隣接する実質的な矩形に移行する断面積を有する流路を含み、
   前記複数の入口（２０４）の第１の入口が、該複数の入口（２０４）の第２の入口に向って前記環状チャンバ（２０２）内に蒸気を吐出するように配向され、前記第２の入口が、前記第１の入口に向って前記環状チャンバ内に蒸気を吐出するように配向される、
   蒸気タービン（１００）。
   

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