JP5615408B2 - 軸流タービン用の冷却システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して軸流タービン、特に低圧蒸気タービンを冷却するためのシステムに関する。特に、本発明は、低圧蒸気タービンにおける最終段ブレードを冷却するためのシステムであって、特にこのような最終段ブレードが複合材料から形成されているものに関する。

低圧蒸気タービンの回転ブレードは、ロータに大きな遠心力を生じる。これは、最大効率のためにタービンを設計する際の制限要因となる恐れがある。解決手段は、このようなブレードがロータにより小さな力を加えるように、より低密度のブレード材料を使用することである。しかしながら、この解決手段は、低密度材料が十分な機械的特性を有する場合にのみ適用することができる。チタンを使用することが現在では選択すべき方法として考えられるが、将来の択一的手段は、より優れた強度対重量比を有するであろう。可能な択一的手段のうち、複合材から成るブレードがあり、その例は、米国特許出願公開第２００８／０１５２５０６号明細書および国際公開第２０１１／０３９０７５号および国際公開第２０１０／０６６６４８号およびスイス国特許第５４７９４３号明細書に開示されている。

複合材料は、通常、金属よりも耐熱性が低い。これは、特に低い体積流量の運転中および最高速度条件中に問題となる恐れがある。このような条件下では、タービンを通る体積流量によって十分な熱が運搬されず、特に最終段ブレードは、ブレード先端領域の風損加熱を受ける。標準ブレード温度は、通常６５℃を超えない。しかしながら、修正手段を有さない風損条件下では最終段ブレード先端部の温度は２５０℃を超える恐れがある。このような温度では、複合材料の機械的特性は著しく影響され、永久的な劣化を生じる恐れがある。

風損加熱に対する解決手段は、米国特許出願公開第２００７／２９２２６５号明細書によって提供される。この解決手段は、最終段先端領域の近くに冷却媒体を噴射することを含む。蒸気または水を含む媒体は、ケーシングからブレード先端部の前方または後方に噴射されてよい。択一例として、または付加的に、外側の側壁を通じて流れを抽出するための小さな抽出溝が、ブレードのすぐ前方においてブレード先端部の近くに設けられてよい。

米国特許出願公開第２００８／０１５２５０６号明細書 国際公開第２０１１／０３９０７５号 国際公開第２０１０／０６６６４８号 スイス国特許第５４７９４３号明細書 米国特許出願公開第２００７／２９２２６５号明細書

従来技術を考慮して、本発明の目的は、タービンブレード、特に複合材料から成る最終段ブレードの先端部を冷却するためのより効率的な手段および方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、軸流タービンであって、作動流体用の流路を形成するケーシングと、ケーシングに対して同軸のロータと、複数の段であって、各段は、ケーシングに周方向に取り付けられたベーンの静止した列と、ロータに周方向に取り付けられたブレードの回転する列とを含む、複数の段とを備え、作動流体に曝される前記ケーシングの内面は、ボアを備えた抽出ポートにおいてそれぞれ終わった、深さが増大する１つ以上の実質的に周方向の溝を有する、軸流タービンが提供される。

溝は、通常、ケーシングの内面に沿った周方向の線に沿っている。しかしながら、溝は、好適には周方向の線から１０°までのみ逸れていてよい。逸れている場合、溝は、好適には、ほぼ、タービンを通る流れ方向に逸れている。

本発明におけるケーシングの内面は、ダイアフラム、ベーンキャリヤ、ヒートシールド等の、ケーシングの実際の内面に取り付けられたあらゆる部分の内面であることができる。溝は、作動流体の流れに曝される部分の面に機械加工されている。

好適には、溝の深さはゼロ深さで開始する。深さは、渦の形成または作動流体の円滑な抽出に対するその他の妨害を回避するために、最良には緩やかに増大している。

抽出ポートのボアは、好適には、タービンにおける低い体積流量条件での蒸気の流れ方向を利用するために、溝に対して接線方向に向けられている。

本発明の好適な態様において、実質的に同じ円周に沿った直径方向で向き合った位置において２つの溝が設けられている。製造を容易にするために、１つ以上の溝を、これらの溝が、ケーシングの接合線と、接合線の反対側における抽出ポートのためのボアとにおいて終わるように設計することが最良である。この形式において、ボアは、接合面を貫通して穿孔することによって形成することができる。

抽出ポートに関連した１つ以上の溝は、回転ブレード、特に複合材料のブレードの先端部を冷却するためにブレードの先端部の近くの体積から作動流体を除去するように適応されていると最良であり、複合材料のブレードの場合、金属ブレードよりも加熱がより深刻な問題である。したがって、溝の好適な位置は、タービンの最終段のベーンとブレードとの間に配置されている。

発明の上記態様および別の態様は、以下の詳細な説明および以下に挙げる図面から明らかになるであろう。

発明の例示的な実施の形態をここで添付の図面を参照しながら説明する。

タービンの概略的な縦断面図である。 図１のタービンの最終段の拡大図である。 図２Ａの線Ａ−Ａ’に沿った周方向断面図である。 図２Ｂの線Ｂ−Ｂ’に沿った縦断面図である。 図２Ｂの線Ｃ−Ｃ’に沿った縦断面図である。 最大体積流量におけるタービンを通る流れを示す図である。 低い体積流量におけるタービンを通る流れを示す図である。

本発明の実施例の態様および詳細は、以下の説明においてより詳細に説明される。本発明の典型的な実施の形態は、図面を参照して説明され、図面において、全体を通じて同じエレメントを示すために同じ符号が使用されている。以下の説明において、説明の目的で、発明の十分な理解を提供するために多数の特定の詳細が示されている。しかしながら、本発明は、これらの特定の詳細なしに実施されてもよく、ここに開示された典型的な実施の形態に限定されるわけではない。

図１は、典型的な多段軸流タービン１０を示す。タービン１０は、ケーシング１１を有し、このケーシング１１は、ケーシング１１に周方向に取り付けられた定置のベーン１２を包囲している。タービン１０は、さらに回転ブレード１３を有し、回転ブレード１３はロータ１４に周方向に取り付けられており、ロータは軸受（図示せず）に支持されている。ケーシング１１と、ベーン１２と、ブレード１３とは、蒸気などの作動流体用の流路を形成している。各ブレード１２は、ロータ１４から先端領域１３１まで流路内へ延びた翼を有し、先端領域１３１は、ブレード１３の翼部分の上側３分の１として定義される。ブレード１３は、金属から形成することができ、金属合金、樹脂によって結合された層状の炭素繊維を含む層状複合材を含む複合材、または金属と複合材との混合物を含む。タービン１０の複数の段は、一対の定置のベーンと移動するブレードの列として定義され、タービン１０の最終段は、タービン１０を通る通常の流れ方向（矢印によって示されている）によって規定した場合にタービン１０の下流端部の方に配置されている。タービン１０は、蒸気タービン、特に低圧（ＬＰ）蒸気タービンであることができる。ＬＰタービンとして、その後には通常、凝縮器ユニット（図示せず）が続いており、この凝縮器ユニットにおいて蒸気は凝縮する。

ベーン１２およびブレード１３の最後の列を備えたタービン１０の最終段は、以下の図において拡大して示されている。図２Ｂは、図２Ａの線Ａ−Ａ’に沿ったタービンの部分の断面図を示す。最後のブレード１３の前に、一対の浅い溝１１１がケーシング１１の（またはベーンがケーシングに直接に取り付けられていない場合には、ベーンキャリヤの）内面に機械加工されている。各溝１１１の深さは、ブレード１３の回転方向でゼロから次第に、ほぼ半回転した後に最終深さｄまで増大している。最終深さｄにおいて、溝は、抽出穴もしくはチャネル１１２に入っている。

抽出穴１１２は、チャネルの開口が実質的に溝に対して垂直であるように、溝１１１に対して接線方向になっている。抽出穴は、水冷式混合チャンバ内へまたは凝縮器内へ直接に蒸気を放出する。

抽出穴もしくはチャネル１１２は、弁１１３またはその他の適切な手段を用いて遮断することができる。通常運転において、抽出チャネルは閉鎖されており、抽出が要求される場合にのみ、すなわち低い流れ体積の場合またはブレードの温度が作動限界よりも上昇しているときに、開放される。

図２Ｂの線Ｂ−Ｂ’に沿った断面を示す図２Ｃにおいて、溝１１１は、最終深さｄのほぼ半分まで近づいている。図２Ｂの線Ｃ−Ｃ’に沿った断面を示す図２Ｄにおいて、溝１１１は、抽出穴もしくはチャネル１１２に進入する箇所において示されている。

溝１１１および抽出穴１１２は、タービンの回転による周方向速度成分を有する高温蒸気が最終段ブレード１３の先端の近くの体積から逸らされて、溝によって接線方向抽出穴内へ案内されるように向けられている。

溝１１１および抽出穴１１２は好適にはベーン１２およびブレード１３の列の軸方向位置の間に配置されている。なぜならば、高温蒸気の体積がその体積において循環することが見られるからである。溝および抽出穴１１２の幅は設計上のパラメータであり、極端な場合には、ブレードとベーンとの間のケーシングの内面のほとんどを占めることができるが、今日の実際の使用におけるように、典型的なタービンの場合にはそれより大幅に小さいであろう。

図３Ａと図３Ｂとの比較によって示されるように、質量流体積が運転レベルから通常質量流量の５０％未満、さらには通常質量流量の３０％未満のようなより低いレベルに低下すると、タービンを通る流れは著しく変化する恐れがある。このような低体積運転において、通常は運転質量流量レベルのために最適化されているタービンを通る流れは、変化し、ポケットを生じ、このポケットにおいて流れは小さな軸方向成分しか有していない。

図３Ａに示したようにタービンは、通常流れ体積における流れ線によって示したような滑らかな流れ領域を有する。流れは、タービンの出口に向かう方向において主に軸方向速度成分を有する。たとえば始動、振れ（run-out）、負荷変化または緊急条件の間の場合のようにタービンを通る流れ体積が減じられると、流れパターンは、図３Ｂに示したように、より複雑な様相に変化する。

減じられた流れ条件下では、小さな軸方向成分を有する蒸気体積が存在する。この体積は、主に紙面の中へまたは紙面から外へ循環する、たとえば図３Ｂにおける体積部分３１のような、著しく大きな周方向成分を有する一方で、軸方向では小さな循環しか有さない傾向がある。つまり、タービンにおいて使用される湿式フィルムかき取りボアは、低い負荷においては非効率にされる。なぜならば、これらの装置は通常、フィルムを捉えるために軸方向流速に依存するからである。

周方向速度を利用することによって、タービンの凝縮器ユニットからの不利な背圧があっても、高温の蒸気を抽出することができる。

評価は、３００ｍｍの幅と２０ｍｍの最大深さｄとを有する溝を用いて質量流の約１％を抽出することによって、最終段ブレードの温度を１７８℃から１６６℃に低下させることができることを示している。この値は、さらに、タービンの全体的効率を低下させるという犠牲を払ってより多くの仕事を抽出することによって、さらに増大させることができる。

タービンケーシング１１の上半分と下半分との間の分割部において始まる穴１１２のためのボアを有することは、製造の観点から有利である。しかしながら、ボアは、原則としてケーシングまたはベーンキャリヤの円周に沿ったあらゆる箇所に配置することができる。同じ円周線に沿った溝の数を２から３、４またはそれ以上に増加させることも可能である。発明のこのような変化態様では、半回転未満で同じ目標深さｄを達成するために、溝の勾配はより急である。

最終段ベーンおよびブレードの間以外の位置に抽出溝およびチャネルを配置すること、または２つ以上の位置に抽出溝およびチャネルを有することは、さらに有利である。１つの周方向線に沿ってではなく、タービンの軸方向長さに沿って僅かに互い違いに、前記のように２つの溝および抽出チャネルを配置することがさらに可能である。

本発明は、単に例として説明されたが、特に抽出溝およびチャネルの形状、数および設計に関連して、発明の範囲内で変更を行うことができる。発明は、ここで説明または黙示された、または図面に示されたまたは黙示されたあらゆる個々の特徴、またはあらゆるこのような特徴のあらゆる組合せ、またはその均等物まで拡張されるあらゆるこのような特徴または組合せのあらゆる一般化にもある。つまり、本発明の広さおよび範囲は、上述の典型的な実施の形態のいずれによっても限定されるべきではない。

図面を含む明細書に開示されたそれぞれの特徴は、そうでないことが明白に述べられない限り、同じ、均等のまたは類似の目的を果たす択一的な特徴によって置き換えられてよい。

ここで明白に述べられない限り、明細書を通じた従来技術のあらゆる説明は、このような従来技術が広く知られているまたは技術分野における共通の一般知識の一部を形成することを認めるものではない。

１０ タービン
１１ ケーシング
１２ ベーン
１３ ブレード
１４ ロータ
１３１ 先端領域
１１１ 溝
１１２ 抽出穴
ｄ 最終深さ
１１３ 弁
３１ 体積

Claims (9)

1. 軸流タービン（１０）であって、
   内部に作動流体用の流路を形成したケーシング（１１）と、
   該ケーシング（１１）に対して同軸のロータ（１４）と、
   複数の段であって、各段が、前記ケーシング（１１）に周方向に取り付けられたベーン（１２）の定置の列と、前記ロータ（１４）に周方向に取り付けられたブレード（１３）の回転する列とを有する、複数の段と、を備え、
   前記作動流体に曝される前記ケーシング（１１）の内面は、回転するブレード（１３）の回転方向で深さが増大する１つ以上の実質的に周方向の溝（１１１）を有し、各溝（１１１）は、ボア（１１２）を備えた抽出ポートにおいて終わっている、軸流タービン（１０）において、
   前記ケーシング（１１）の接合線（Ｃ）において終わった１つ以上の溝（１１１）と、前記抽出ポートのためのボア（１１２）とは、前記接合線（Ｃ）の両側に位置していることを特徴とする、軸流タービン（１０）。
2. 前記抽出ポートの前記ボア（１１２）は、前記溝（１１１）に対して接線方向に向けられている、請求項１記載のタービン（１０）。
3. 実質的に同じ円周に沿って直径方向で向き合った位置において２つの溝（１１１）を有する、請求項１記載のタービン（１０）。
4. 前記抽出ポートに関連した１つ以上の溝（１１１）は、回転するブレード（１３）の先端を冷却する目的で前記ブレード（１３）の先端の近くにおける体積部分（３１）から作動流体を除去するように適応されている、請求項１記載のタービン（１０）。
5. 前記抽出ポートは、前記タービン（１０）を流過する質量流量に依存して開放または遮断するように設計された弁（１１３）を有する、請求項１記載のタービン（１０）。
6. 前記抽出ポートに関連した１つ以上の溝（１１１）は、前記タービン（１０）の最終段の前記ベーン（１２）と前記ブレード（１３）との間に配置されている、請求項１記載のタービン（１０）。
7. 前記抽出ポートに関連した１つ以上の溝（１１１）は、少なくとも部分的に複合材料から形成されたブレード（１３）の列の近くに配置されている、請求項１記載のタービン（１０）。
8. 軸流タービン（１０）におけるブレード（１３）を冷却する方法であって、前記軸流タービン（１０）は、
   内部に作動流体用の流路を形成するケーシング（１１）と、
   該ケーシング（１１）に対して同軸のロータ（１４）と、
   複数の段であって、各段は、前記ケーシング（１１）に周方向に取り付けられたベーン（１２）の定置の列と、前記ロータ（１４）に周方向に取り付けられたブレード（１３）の回転する列とを有する、複数の段と、を備え、
   前記作動流体に曝される前記ケーシング（１１）の内面は、回転するブレード（１３）の回転方向で深さが増大する１つ以上の実質的に周方向の溝（１１１）を有し、各溝（１１１）は、ボア（１１２）を備えた抽出ポートにおいて終わっており、
   前記方法は、抽出ポートを開放させ、前記溝（１１１）および前記抽出ポートを通じて前記ブレード（１３）の先端の近くの体積部分（３１）から作動流体を抽出するステップを含むことを特徴とする、軸流タービン（１０）においてブレード（１３）を冷却する方法。
9. 前記抽出ポートは、前記タービン（１０）の通常運転中は閉鎖されており、前記タービン（１０）が低質量流量条件下で作動するときに開放させられる、請求項８記載の方法。