JP5546816B2 - 蒸気タービンエンジンの低圧セクション用の蒸気タービン回転動翼 - Google Patents

Description

本発明は、総括的には蒸気タービン用の回転動翼に関し、より具体的には、蒸気タービンの低圧セクションの後段で使用する高作動速度が可能なジオメトリを備えた回転動翼に関する。

蒸気タービンの蒸気流路は一般的に、固定ケーシング及びロータによって形成される。このような構成では、幾つかの固定静翼が、円周方向アレイの形態でケーシングに取付けられかつ蒸気流路内に内向きに延びる。同様に、幾つかの回転動翼が、円周方向アレイの形態でロータに取付けられかつ蒸気流路内に外向きに延びる。固定静翼及び回転動翼は、静翼の列及び直ぐ下流の動翼の列が段を形成するように、交互する列の形態で配置される。静翼は、蒸気が正確な角度で下流の動翼列に流入するように、蒸気の流れを導く働きをする。動翼の翼形部は、蒸気からエネルギーを取出し、それによりロータ及び該ロータに取付けられた負荷を駆動するのに必要な動力を発生させる。

蒸気が蒸気タービンを通って流れると、所望の吐出圧力に達するまで、各後続段によりその圧力が低下する。従って、温度、圧力、速度及び水分含有量のような蒸気特性は、蒸気が流路を通って膨張する時の列ごとで変化する。その結果、各動翼列は、その列と関連した蒸気条件に対して最適になった翼形形状を有する動翼を用いている。

蒸気条件に加えて、動翼はまた、作動時に受ける遠心荷重を考慮するように設計される。具体的には、動翼には、ロータの高回転速度により高遠心荷重が作用し、これが次に、動翼に応力を生じさせる。動翼上への応力集中を減少させることは、特に動翼が大きな寸法に起因してより大型かつ高重量になりまた蒸気流内の水分に起因して応力腐食を受けるような蒸気タービンの低圧セクションの後列の動翼において設計課題となる。

タービンの低圧セクション用の回転動翼を設計することに関連したこのような課題は、動翼上に加わる力、動翼の機械的強度、動翼の共振周波数及び動翼の熱力学的性能が一般的に動翼の翼形形状で決まるという事実によって、一層困難になる。これらの考慮事項は、動翼の翼形形状の選択に制約条件を加える。従って、所定の列用の動翼の最適翼形形状は、該形状に関連した機械的及び空気力学的特性間の妥協によるものとなる。

米国特許出願番号第１２／２０５９３９号明細書 米国特許第４２６０３３１号明細書 米国特許第５０６７８７６号明細書 米国特許第５１７４７２０号明細書 米国特許第５２６７８３４号明細書 米国特許第５２７７５４９号明細書 米国特許第５２９９９１５号明細書 米国特許第５３９３２００号明細書 米国特許第５４８０２８５号明細書 米国特許第５４９４４０８号明細書 米国特許第５５３１５６９号明細書 米国特許第５８２９９５５号明細書 米国特許第６１４２７３７号明細書 米国特許第６４３５８３３号明細書 米国特許第６４３５８３４号明細書 米国特許第６５６８９０８号明細書 米国特許第６５７５７００号明細書 米国特許第６６５２２３７号明細書 米国特許第６６８２３０６号明細書 米国特許第６８１４５４３号明細書 米国特許第６８４６１６０号明細書 米国特許第６８９３２１６号明細書 米国特許第７０９７４２８号明細書 米国特許第７１９５４５５号明細書 米国特許出願公開第２００７／０２９２２６５号明細書

AMIR MUJEZINOVIC, "Bigger Blades Cut Costs", Modern Power Systems, Feb. 2003, p.25, 27. MICHAEL BOSS, "Steam Turbine Technology Heats Up", PEI Magazine, April 2003, p.77, 79, 81.

本発明の１つの態様では、蒸気タービン回転動翼を提供する。本回転動翼は、翼形部を含む。根元部が、翼形部の一端部に取付けられる。ダブテール部が、根元部から突出しかつ斜め軸方向挿入式ダブテールを含む。先端部が、根元部と反対側の端部において翼形部に取付けられる。カバーが、先端部の一部として一体形に形成される。カバーは、第１の平坦部と、第２の平坦部と、第１の平坦部及び第２の平坦部間に横方向に設置された陥凹部とを含む。陥凹部は、第１の平坦部及び該陥凹部が隣接する第１の端部において第１の平坦部より下方に設置される。陥凹部は、第２の平坦部及び該陥凹部が隣接する第２の端部において第２の平坦部まで上方に立ち上がる。第２の平坦部は、第１の平坦部より上方に隆起している。カバーは、先端部に対してある角度で配置され、その場合に、この角度は、約１０°〜約３０°の範囲にある。

本発明の別の態様では、蒸気タービンの低圧タービンセクションを提供する。本発明のこの態様では、複数の後段蒸気タービン動翼が、タービンロータホイールの周りに配置される。複数の後段蒸気タービン動翼の各々は、約１０．５６インチ（２６．８２ｃｍ）以上の長さを有する翼形部を含む。根元部が、翼形部の一端部に取付けられる。ダブテール部が、根元部から突出しかつ斜め軸方向挿入式ダブテールを含む。先端部が、根元部と反対側の端部において翼形部に取付けられる。カバーが、先端部の一部として一体形に形成される。カバーは、第１の平坦部と、第２の平坦部と、第１の平坦部及び第２の平坦部間に横方向に設置された陥凹部とを含む。陥凹部は、第１の平坦部及び該陥凹部が隣接する第１の端部において第１の平坦部より下方に設置される。陥凹部は、第２の平坦部及び該陥凹部が隣接する第２の端部において第２の平坦部まで上方に立ち上がる。第２の平坦部は、第１の平坦部より上方に隆起している。カバーは、先端部に対してある角度で配置され、その場合に、この角度は、約１０°〜約３０°の範囲にある。

蒸気タービンの一部切欠き斜視図。 本発明の１つの実施形態による蒸気タービン回転動翼の斜視図。 本発明の１つの実施形態による、図２の動翼に示した斜め軸方向挿入式ダブテールの拡大斜視図。 本発明の１つの実施形態による、図２に示したカバーの拡大図を示す側面斜視図。 本発明の１つの実施形態による隣接カバーの相互関係を示す斜視図。

蒸気タービンエンジンと関連させたその用途及び作動に関して、本発明の少なくとも１つの実施形態について以下に説明する。さらに、公称規模に関してかつ公称寸法の組を含む状態で、本発明の少なくとも１つの実施形態について以下に説明する。しかしながら、本発明があらゆる好適なタービン及び／又はエンジンにも同様に適用可能であることは、当技術分野に精通しかつ本明細書における教示に関心がある当業者には当然明らかな筈である。さらに、当技術分野に精通しかつ本明細書における教示に関心がある当業者には、本発明が様々なスケールの公称規模及び／又は公称寸法に同様に適用可能であることも理解されたい。

図面を参照すると、図１は、蒸気タービン１０の一部切欠き斜視図を示している。蒸気タービン１０は、シャフト１４及び複数の軸方向に間隔を置いて配置されたロータホイール１８を備えたロータ１２を含む。複数の回転動翼２０が、各ロータホイール１８に対して機械的に結合される。より具体的には、動翼２０は、各ロータホイール１８の円周方向周りで延びる列の形態で配置される。複数の固定静翼２２が、シャフト１４の円周方向周りで延びかつ隣接する動翼２０列の軸方向間に配置される。固定静翼２２は、動翼２０と協働してタービン段を形成しかつタービン１０を通る蒸気流路の一部分を形成する。

作動中に、蒸気２４は、タービン１０の入口２６に流入しかつ固定タービン２２を通して送られる。静翼２２は、下流方向に動翼２０に対して蒸気２４を導く。蒸気２４は、残りの段を通って流れ、動翼２０に力を与えてシャフト１４を回転させる。タービン１０の少なくとも一端部は、ロータ１２から離れるように軸方向に延びることができかつそれに限定されないが、発電機及び／又は他のタービンのような負荷又は機械（図示せず）に取付けることができる。従って、大型の蒸気タービン装置は実際には、その全てが同一のシャフト１４に同軸に結合された幾つかのタービンを含むことができる。そのような装置は、例えば中圧タービンに結合された高圧タービンを含み、中圧タービンは、低圧タービンに結合することができる。

本発明のまた図１に示す１つの実施形態では、タービン１０は、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４として示す５つの段を含む。段Ｌ４は第１段でありかつ５つの段のうちで最小のもの（半径方向において）である。段Ｌ３は、第２段でありかつ軸方向における次の段である。段Ｌ２は、第３段でありかつ５つの段のうちの中央に位置したものとして示している。段Ｌ１は、第４段でありかつ最後から２番目の段である。段Ｌ０は、最終段でありかつ最大のもの（半径方向において）である。５つの段は、専ら１つの実施例として示しており、また低圧タービンは、５つよりも多い又は少ない段を有することができることを理解されたい。

図２は、本発明の１つの実施形態による蒸気タービン回転動翼２０の斜視図である。動翼２０は、前縁３４及び後縁３６において互いに連結された正圧側面３０及び負圧側面３２を含む。動翼翼弦距離は、半径方向長さ３８に沿った任意のポイントにおいて後縁３６から前縁３４まで測定した距離である。例示的な実施形態では、半径方向長さ３８つまり動翼長さは、約１０．５６インチ（２６．８２ｃｍ）である。この例示的な実施形態における動翼長さは、約１０．５６インチ（２６．８２ｃｍ）以上であるが、本明細書における教示はこの公称寸法の様々なスケールに適用可能であることが当業者には解るであろう。例えば、当業者は、１．２、２及び２．４のようなスケール係数によって動翼２０を拡大して、それぞれ１２．６７インチ（３２．１８ｃｍ）、２１．１２インチ（５３．６４ｃｍ）及び２５．３４インチ（６４．３６ｃｍ）の動翼長さを形成することができる。

動翼２０には、ダブテール部４０、翼形部４２、及びそれらの間で延びる根元部４４が形成される。翼形部４２は、根元部４４から先端部４６まで半径方向外向きに延びる。カバー４８が、翼形部４２との間の移行部にフィレット半径５０が設置された状態で、先端部４６の一部として一体形に形成される。図２に示すように、カバー４８は、第１の平坦部５２と、第２の平坦部５４と、第１の平坦部５２及び第２の平坦部５４間に横方向に設置された陥凹部５６とを含む。陥凹部５６は、第１の平坦部５２及び該陥凹部５６が隣接する第１の端部において第１の平坦部５２より下方に設置される。陥凹部５６は、第２の平坦部５４及び該陥凹部５６が隣接する第２の端部において第２の平坦部５４まで上方に立ち上がる。図２に示すように、第２の平坦部５４は、第１の平坦部５２より上方に隆起している。この構成では、カバー４８は、先端部４６に対してある角度で配置され、その場合に、この角度は、約１０°〜約３０°の範囲にあり、好ましい角度は、約２２．５°である。例示的な実施形態では、ダブテール部４０、翼形部４２、根元部４４及びカバー４８は全て、例えば高強度クロム鋼などの耐食性材料で単体構造構成部品として製作される。この例示的な実施形態では、動翼２０は、ダブテール部４０を介してタービンロータホイール１８（図１に示す）に結合されかつ該ロータホイール１８から半径方向外向きに延びる。

図３は、本発明の１つの実施形態による、図２の動翼に示したダブテール部４０の拡大斜視図である。この実施形態では、ダブテール部４０は、タービンロータホイール１８（図１に示す）内に形成された噛合いスロットと係合する約２１°の傾斜角度を有する斜め軸方向挿入式ダブテールを含む。１つの実施形態では、この斜め軸方向挿入式ダブテールは、タービンロータホイール１８（図１に示す）と係合するように構成された６つの接触面を有する３フック設計を含む。斜め軸方向挿入式ダブテールは、平均及び局所応力の分布、過速度状態時における保護、並びに適切な低サイクル疲労（ＬＣＦ）マージンが得られると共に翼形根元部４４に適合するようにするのが好ましい。さらに、図３は、ダブテール部４０が、１つの実施形態では約３．８７インチ（９．８５ｃｍ）〜約９．２４インチ（２３．６４ｃｍ）の範囲にすることができるダブテール軸方向幅４３を有し、約３．８７インチ（９．８５ｃｍ）が好ましい幅であることを示している。ダブテール部４０は、ロックワイヤを保持して動翼２０の軸方向位置を維持する約３６０°のグルーブ４１を含む。斜め軸方向挿入式ダブテールは、３つよりも多い又は少ないフックを有することができることは、当業者には分かるであろう。本出願と同一の出願人による、本出願と同日に出願した「蒸気タービン回転動翼及びロータホイールのためのダブテール」という名称の米国特許出願番号第１２／２０５，９３９号（ＧＥドケット番号第２２９０８４号）には、ダブテールのより詳細な説明を行っている。

ダブテール部４０のさらなる細部を示すことに加えて、図３はまた、そこでダブテール部４０が根元部４４から突出している移行部領域の拡大図を示している。具体的には、図３は、根元部４４がダブテール部４０のプラットフォーム６０に移行する位置におけるフィレット半径５８を示している。

図４は、本発明の１つの実施形態による、図２に示したカバー４８の拡大図を有する側面斜視図を示している。上述のように、カバー４８は、第１の平坦部５２と、第２の平坦部５４と、第１の平坦部５２及び第２の平坦部５４間に横方向に設置された陥凹部５６とを含む。陥凹部５６は、第１の平坦部５２及び該陥凹部５６が隣接する第１の端部において第１の平坦部５２より下方に設置される。陥凹部５６は、第２の平坦部５４及び該陥凹部５６が隣接する第２の端部において第２の平坦部５４まで上方に立ち上がる。第２の平坦部５４は、第１の平坦部５２より上方に隆起している。図４はまた、カバー４８が、動翼２０の前縁３４より所定の距離だけ離れた先端部４６に沿った位置６２から該動翼２０の後縁３６まで延びることを示している。さらに、カバー４８の第１の平坦部５２は、動翼２０の正圧側面３０にオーバハングし、またカバー４８の第２の平坦部５４は、動翼２０の負圧側面３２にオーバハングしている。この構成では、カバー４８は、先端部４６に対してある角度で配置され、その場合に、この角度は、約１０°〜約３０°の範囲にあり、好ましい角度は、約２２．５°である。図４はまた、カバー４８が、蒸気タービン動翼の段における隣接カバーと接触状態にならないように構成された非接触面６４と、該蒸気タービン動翼の段におけるカバーと接触状態になるように構成された接触面６６とを含むことを示している。

図５は、本発明の１つの実施形態による隣接カバーの相互関係を示す斜視図である。一般的に、カバー４８は、最初の組立て時に及び／又はゼロ速度状態時に、隣接カバー間の非接触面６４におけるギャップ６８と接触面６６における接触とを生じるように設計される。１つの実施形態では、ギャップ６８は、約−０．００２インチ（−０．０５１ｍｍ）〜約０．００８インチ（０．２０３ｍｍ）の範囲にすることができる。図５は、非接触面６４が、第１の平坦部５２、第２の平坦部５４及び陥凹部５６の一部分を含み、一方、接触面６６が、第２の平坦部５４の一部分を含むことを示している。作動中に、タービンロータホイール１８（図１に示す）が回転すると、動翼２０は、ねじれを少なくするように移動し始める。動翼２０の毎分当たりの回転（回転／分）（ＲＰＭ）が作動レベルに近づくと、動翼は、遠心力によりねじれを少なくするように移動し、接触面６６におけるギャップが閉じかつ互いに整列した状態になって、隣接カバーとの間に公称干渉が生じる。その結果、動翼は、単一の連続結合構造体を形成することになる。この構成では、この相互連結カバーにより、動翼剛性の向上、動翼減衰性の向上、及び動翼２０の外側半径方向位置におけるシール作用の向上が得られる。

例示的な実施形態では、動翼２０における作動レベルは３６００ＲＰＭであるが、本明細書における教示はこの公称規模の様々なスケールに対して適用可能であることが当業者には分かるであろう。例えば、当業者は、１．２、２及び２．４のようなスケール係数によって作動レベルを拡大して、それぞれ３０００ＲＰＭ、１８００ＲＰＭ及び１５００ＲＰＭで作動する動翼を製作することができる
本発明の１つの実施形態による動翼２０は、蒸気タービンの低圧セクションのＬ２段で使用するのが好ましい。しかしながら、この動翼はまた、その他の段又はその他のセクション（例えば、高い又は中間の）でも同様に使用することができる。上述のように、動翼２０における１つの好ましい動翼長さは、約１０．５６インチ（２６．８２ｃｍ）である。この動翼長さは、約２０．０９平方フィート（１．８７ｍ²）のＬ２段出口環状空間面積をもたらすことができる。この拡大かつ改良型の出口環状空間面積は、蒸気がＬ２段動翼から出る時に該蒸気が受ける運動エネルギー損失を減少させることができる。このより少ない損失により、タービン効率の向上が得られる。

上記のように、動翼長さを別の動翼長さに拡大した場合には、この拡大により、これもまた拡大した出口環状空間面積が形成されることになることが、当業者には分かるであろう。例えば、１．２、２及び２．４のようなスケール係数を使用して、それぞれ約１２．６７インチ（３２．１８ｃｍ）、２１．１２インチ（５３．６４ｃｍ）及び２５．３４インチ（６４．３６ｃｍ）の動翼長さを形成した場合には、それぞれ約２８．９３平方フィート（２．６９ｍ²）、８０．３６平方フィート（７．４７ｍ²）及び１１５．７５平方フィート（１０．７５ｍ²）の出口環状空間面積が得られることになる。

本開示はその好ましい実施形態と関連させて具体的に示しかつ説明してきたが、当業者には変更及び改良が想到されることになることが分かるであろう。従って、特許請求の範囲は本開示の技術思想の範囲内に属する全てのそのような改良及び変更を保護することを意図していることを理解されたい。

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 蒸気
２６ 入口
３０ 正圧側面
３２ 負圧側面
３４ 前縁
３６ 後縁
３８ 半径方向長さ
４０ ダブテール部
４１ グルーブ
４２ 翼形部
４３ ダブテール軸方向幅
４４ 根元部
４６ 先端部
４８ カバー
５０ カバーと先端部との間のフィレット半径
５２ カバーの第１の平坦部
５４ カバーの第２の平坦部
５６ 陥凹部
５８ ロータセクションとダブテール部との間のフィレット半径
６０ プラットフォーム
６２ カバーが前縁から離れた所定の距離まで延びる位置
６４ 非接触面
６６ 接触面
６８ ギャップ

Claims (10)

1. 翼形部（４２）と、
   前記翼形部（４２）の一端部に取付けられた根元部（４４）と、
   前記根元部（４４）から突出しかつ斜め軸方向挿入式ダブテール（４０）を含むダブテール部（４０）と、
   前記根元部（４４）と反対側の端部において前記翼形部（４２）に取付けられた先端部（４６）と、
   前記先端部（４６）の一部として一体形に形成されたカバー（４８）と
   を含む蒸気タービン回転動翼（２０）であって、前記カバー（４８）が、第１の平坦部（５２）と、第２の平坦部（５４）と、第１の平坦部（５２）及び第２の平坦部（５４）間に横方向に設置された陥凹部（５６）とを含み、前記陥凹部（５６）が、前記第１の平坦部（５２）及び該陥凹部（５６）が隣接する第１の端部において第１の平坦部（５２）より下方に設置され、前記陥凹部（５６）が、前記第２の平坦部（５４）及び該陥凹部（５６）が隣接する第２の端部において第２の平坦部（５４）まで上方に立ち上がり、前記第２の平坦部（５４）が、前記第１の平坦部（５２）より上方に隆起している、蒸気タービン回転動翼（２０）。
2. 該動翼（２０）が、２０．０９平方フィート（１．８７ｍ²）以上の出口環状空間面積を含む、請求項１記載の蒸気タービン回転動翼（２０）。
3. 該動翼（２０）が、１５００回転／分〜３６００回転／分の範囲にある作動速度を有する、請求項１又は請求項２記載の蒸気タービン回転動翼（２０）。
4. 前記カバー（４８）が、該動翼（２０）の前縁（３４）より所定の距離だけ離れた前記先端部（４６）に沿った位置から該動翼（２０）の後縁（３６）まで延びる、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の蒸気タービン回転動翼（２０）。
5. 前記カバー（４８）が、該蒸気タービン回転動翼（２０）の段における隣接カバー（４８）と接触状態にならないように構成された非接触面（６４）と、該蒸気タービン動翼（２０）の段における前記隣接カバー（４８）と接触状態になるように構成された接触面（６６）とを含み、前記非接触面（６４）が、前記第１の平坦部（５２）、第２の平坦部（５４）及び陥凹部（５６）の一部分を含み、前記接触面（６６）が、前記第２の平坦部（５４）の一部分を含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の蒸気タービン回転動翼（２０）。
6. タービンロータ（１８）の周りに配置された複数の後段蒸気タービン動翼（２０）を含む蒸気タービン（１０）の低圧タービンセクションであって、前記複数の後段蒸気タービン動翼（２０）の各々が、
   １０．５６インチ（２６．８２ｃｍ）以上の長さを有する翼形部（４２）と、
   前記翼形部（４２）の一端部に取付けられた根元部（４４）と、
   前記根元部（４４）から突出しかつ斜め軸方向挿入式ダブテール（４０）を含むダブテール部（４０）と、
   前記根元部（４４）と反対側の端部において前記翼形部（４２）に取付けられた先端部（４６）と、
   前記先端部（４６）の一部として一体形に形成されたカバー（４８）と
   を含んでおり、前記カバー（４８）が、第１の平坦部（５２）と、第２の平坦部（５４）と、第１の平坦部（５２）及び第２の平坦部（５４）間に横方向に設置された陥凹部（５６）とを含み、前記陥凹部（５６）が、前記第１の平坦部（５２）及び該陥凹部（５６）が隣接する第１の端部において第１の平坦部（５２）より下方に設置され、前記陥凹部（５６）が、前記第２の平坦部（５４）及び該陥凹部（５６）が隣接する第２の端部において第２の平坦部（５４）まで上方に立ち上がり、前記第２の平坦部（５４）が、前記第１の平坦部（５２）より上方に隆起している、低圧タービンセクション。
7. 前記複数の後段蒸気タービン動翼（２０）が、２０．０９平方フィート（１．８７ｍ²）以上の出口環状空間面積を含む、請求項６記載の低圧タービンセクション。
8. 前記複数の後段蒸気タービン動翼（２０）が、１５００回転／分〜３６００回転／分の範囲にある作動速度を有する、請求項６又は請求項７記載の低圧タービンセクション。
9. 前記複数の後段蒸気タービン動翼（２０）のカバー（４８）が、該カバー（４８）間に公称ギャップ（６８）を備えた状態で組立てられる、請求項６乃至請求項８のいずれか１項記載の低圧タービンセクション。
10. 前記公称ギャップ（６８）が、−０．００２インチ（−０．０５１ｍｍ）〜０．００８インチ（０．２０３ｍｍ）の範囲にある、請求項９記載の低圧タービンセクション。
    

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