JP5692966B2 - 蒸気タービン内部の回転部品を冷却するための方法及び装置 - Google Patents

蒸気タービン内部の回転部品を冷却するための方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、総括的には回転部品を冷却することに関し、より具体的には、蒸気タービン段内のホイールスペースを冷却することに関する。
蒸気タービンエンジン内に見られる少なくとも幾つかの公知の静止及び回転部品は、通常運転時に温度、圧力及び遠心荷重を受ける。公知の蒸気タービンエンジンの高圧(HP)及び/又は中圧(IP)セクションの設計は、蒸気タービンに供給される蒸気の高い温度及び圧力のためにまたそのような部品が受けるクリープのために複雑なものとなる可能性がある。既知の温度及び圧力が、少なくとも幾つかの公知のタービンにおける空気力学的及び熱力学的設計要件を満たすには、それに対応する許容可能な機械設計解決策を必要とする。公知の設計解決策では、バケット及びロータの材料及び/又は幾何学形状、蒸気タービンの作動温度及び/又は圧力、並びに/或いは蒸気流路の外部の配管解決法に焦点を合わせている。
幾つかの公知の蒸気タービン部品における許容可能な機械設計を達成するために、幾つかの公知の設計では、そのような部品が同じ部品が公知のタービンセクションの通常運転時に一般的に曝されることになるよりも低い温度である蒸気温度に曝されることを必要とする。しかしながら、タービン内部での作動温度及び圧力を制限することは、熱力学的設計空間を限定することになり、タービン性能の低下を引き起こす可能性がある。
1つの公知の設計解決策には、ロータの幾何学形状及び材料を変更して、外部冷却を行わずに長期間運転を受け入れ可能なロータを製作することが含まれる。しかしながら、そのような幾何学形状は一般的に、より多くの費用がかかり、段効率を低下させ、また/又は適切な冷却スキームを使用する設計よりも高価かつより優れた機能材料を必要とする。1つの公知の冷却スキームは、蒸気流路内に配管されたパイプを使用して冷却蒸気流を供給する。例えば、そのようなパイプは、第1の再熱複流タブ段の内部に配置することができる。しかしながら、そのようなパイプは、主蒸気流内で障害物を形成し、またシステムに複雑さを付加する。
米国特許第7007488号明細書 米国特許第5645397号明細書 米国特許第6397604号明細書 米国特許第4466239号明細書 米国特許出願公開第2006/0005546号明細書 米国特許出願公開第2007/0137213号明細書
1つの態様では、蒸気タービン内部の回転部品を冷却する方法を提供する。本方法は、蒸気タービンの静止部品内に形成された外側プレナムを通して冷却流体を流すステップと、静止部品の翼形部内に形成された通路を通して外側プレナムから冷却流体を送るステップとを含む。冷却流体は、翼形部通路から静止部品の内側プレナムを通して吐出されて、隣接する回転部品を冷却するのを可能にする。
別の態様では、蒸気タービンで使用する環状の静止部品を提供する。本静止部品は、その内部に画成された第1のプレナムを有する第1のリングと、その内部に画成された第2のプレナム及び1以上の出口を有する第2のリングとを含む。第2のプレナムは、出口と流体連通して結合し、また第2のリングは、第1のリングの半径方向内側に配置される。本静止部品はさらに、第1のリングと第2のリングの間に延在する1以上の翼形部を含む。翼形部は、翼形部を貫通して翼形部の第1の端部から翼形部の第2の端部まで延びる通路を含む。翼形部通路は、第1のプレナム及び第2のプレナムと流体連通している。
さらに別の態様では、蒸気タービンを提供する。本蒸気タービンは、複数のバケットが結合したロータシャフトを備える。本蒸気タービンはさらに、蒸気タービンケーシングに結合した静止部品を含み、静止部品はバケットの上流に結合して、バケットと当該静止部品との間にホイールスペースを形成する。静止部品は、蒸気タービンに結合した第1のリングと、第1のリングの半径方向内側で蒸気タービンに結合した第2のリングと、第1のリングと第2のリングの間に延在する1以上の翼形部とを含む。蒸気タービンは、少なくとも第1のリング、翼形部及び第2のリングを貫通して画成された冷却流体流路を含む。冷却流体流路は、ホイールスペースに冷却流体を送るように構成される。
例示的な蒸気タービンエンジンの概略図。 図1に示す蒸気タービンで使用することができる例示的な第1タービン段の断面図。 図2に示すタービン段で使用することができる例示的な静止部品の斜視図。
図1は、高圧(HP)セクション102及び中圧(IP)セクション104を備えた例示的な対向流蒸気タービンエンジン100の概略図である。HPシェルすなわちケーシング106は、それぞれ軸線方向に上部及び下部半セクション108及び110に分割される。同様に、IPシェル112は、それぞれ軸線方向に上部及び下部半セクション114及び116に分割される。この例示的な実施形態では、シェル106及び112は、内側ケーシングである。それに代えて、シェル106及び112は、外側ケーシングである。この例示的な実施形態では、シェル106及び112は、周囲空気がエンジン100内に入らないようにシールされる。HPセクション102及びIPセクション間に設置された中央セクション118は、高圧蒸気入口120及び中圧蒸気入口122を含む。
環状のセクション仕切り壁134が、HPセクション102とIPセクション104との間に延在するロータシャフト140に向かって中央セクション118から半径方向内向きに延びる。より具体的には、仕切り壁134は、第1のHPセクション入口ノズル136と第1のIPセクション入口ノズル138との間でロータシャフト140の一部分の周りに円周方向に延びる。仕切り壁134は、溝142内に受けられる。
運転時に、高圧蒸気入口120は、例えば発電ボイラ(図示せず)などの蒸気源から高圧力/高温度蒸気144を受ける。蒸気144は、入口ノズル136からHPセクション102を通して送られ、HPセクション102において、ロータシャフト140に結合した複数のタービンブレード又はバケット202(図2及び図3に示す)を介して蒸気144から仕事を抽出してロータシャフト140を回転させる。各バケット202の組は、関連するバケット202に対して蒸気144を送るのを可能にする対応するダイアフラム204(図2及び図3に示す)を含む。蒸気144は、HPセクション102から流出し、ボイラに戻され、ボイラにおいて、蒸気は再加熱される。再熱蒸気146は次に、中圧蒸気入口122に送られ、HPセクションに102に流入する蒸気よりも低い圧力ではあるが、HPセクション102に流入する蒸気144の温度にほぼ等しい温度で入口ノズル138を介してIPセクション104に戻される。IPセクション104において、HPセクション102において使用したものとほぼ同じ方法で回転及び静止部品のシステムにより蒸気146から仕事が抽出される。従って、HPセクション102内での作動圧力は、IPセクション104内での作動圧力よりも高くなって、HPセクション102内の蒸気144は、HPセクション102とIPセクション104との間に生じる可能性がある漏洩通路を通ってIPセクション104に向かって流れる傾向をもつ。
この例示的な実施形態では、蒸気タービンエンジン100は、対向流高圧及び中圧蒸気タービン複合体である。それに代えて、蒸気タービンエンジン100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々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使用することに限定されるものではなく、むしろ、それに限定されないが単流及び複流タービンを含む蒸気タービン構成で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例示的な第1タービン段200の断面図である。図3は、タービン段200で使用することができるダイアフラム204の斜視図である。この例示的な実施形態では、ダイアフラム204は、例えば12%クロム(Cr)のような合金鋼、又はより良好な鍛造品、又は棒状金属材料で製作される。さらに、この例示的な実施形態では、ダイアフラム204の外部幾何学形状は、蒸気タービン内部の静止部品に合わせたあらゆる公知の外部幾何学形状である。
この例示的な実施形態では、タービン段200は、第1の高圧セクション入口ノズル136を含む。本明細書では、高圧蒸気タービン内で使用する第1タービン段として、タービン段200を説明しているが、本明細書で説明する実施形態は、第1段で使用することだけに限定されるものでなく、むしろ、あらゆるタービン段及び/又はタービン段に適用される冷却流体流を有するあらゆる蒸気タービンで使用することができる。この例示的な実施形態では、タービン段200は、ロータホイール206とダイアフラム204とを含む。ロータホイール206は、バケット202の列208を含み、ダイアフラム204は、翼形部212の列210を含む。主流路214が、高圧セクション102(図1に示す)を貫通して画成されて、蒸気144(図1に示す)がタービン運転時に翼形部212及びバケット202を通って流れる。より具体的には、各翼形部212は、軸方向に隣接するバケット202を通して蒸気144を下流方向に導く。さらに、ホイール206の上流面218とダイアフラム204の下流面220との間にホイールスペース216が形成される。この例示的な実施形態では、ホイール206は、ロータシャフト140(図1に示す)に結合し、各バケット202は、蒸気144がバケット202と接触すると、ホイール206及びロータシャフト140を回転させる。この例示的な実施形態では、各バケット202は、バケット先端24に結合したシール222を含む。
この例示的な実施形態では、ダイアフラム204は、静止内側リングと静止外側リング228とを含む。翼形部212の内側端部232は、内側リング226に結合し、また翼形部212の外側端部230は、外側リング228に結合している。この例示的な実施形態では、内側リング226は、ロータシャフト140に隣接して配置されて、蒸気144及び/又は冷却流体236が内側リング226とロータシャフト140との間を流れるのを防止するのを可能にするロータシール234を含む。この例示的な実施形態では、冷却流体236は、冷却蒸気である。それに代えて、冷却流体236は、タービン段200を冷却するのに適しかつ本明細書で説明したように蒸気タービンエンジン200が機能するのを可能にするあらゆる好適な流体である。
さらに、この例示的な実施形態では、内側リング226はまた、上流側ホイール突出部240に隣接して配置されて、蒸気144が主流路214からホイールスペース216内に流れるのを防止するのを可能にするホイールシール238を含む。内側リング226はまた、冷却流体内側プレナム242及び複数の冷却流体出口244を含む。この例示的な実施形態では、内側プレナム242は、内側リング226の外表面248内に形成された環状スロット246である。さらに、この例示的な実施形態では、内側プレナム242及び各出口244は、内側リング内に一体形に形成される。1つの実施形態では、内側リング226は、単一部品である。別の実施形態では、内側リング226は、複数のセグメント(図示せず)から形成される。さらに、この例示的な実施形態では、各冷却流体出口244は、内側プレナム242からダイアフラム下流面220を貫通して延びる。この例示的な実施形態では、出口244の中心線250は、タービン半径R(図1に示す)に対してほぼ垂直方向に配向される。別の実施形態では、出口中心線250は、タービン半径Rに対して斜めに配向される。
この例示的な実施形態では、外側リング228は、高圧蒸気入口120(図1に示す)に隣接して配置されて、蒸気144が外側リング228とシェル106(図1に示す)との間を流れるのを防止するのを可能にする蒸気シール252を含む。蒸気シール252は、ダイアフラム204の内部に又はダイアフラム204とシェル106との間に形成されたインタフェース254に配置することができる。この例示的な実施形態では、外側リングはまた、下流面上に配置されたホイールシール256と、内表面に結合したバケットシール260とを含む。シール256及び260により、蒸気144が主流路214からシェル106内に流れるのを防止することが可能になる。より具体的には、この例示的な実施形態では、バケットシール260は、バケット先端シール222と係合するように構成される。
外側リング228はまた、冷却流体外側プレナム262及び複数の冷却流体通路264を含む。この例示的な実施形態では、外側プレナム262は、外側リング228の外表面268内に形成された環状スロット266である。さらに、この例示的な実施形態では、外側プレナム262は、外側リング228の第1の部分270内に形成されるのみである。外側リング228の第2の部分274内にはチャネル272が形成され、第2の部分274は、第1の部分270内には含まれない外側リング228の部分である。
この例示的な実施形態では、外側プレナム262及び各通路264は、外側リング228と一体形に形成される。1つの実施形態では、外側リング228は、単一部品である。別の実施形態では、外側リング228は、複数のセグメント(図示せず)を含む。さらに、この例示的な実施形態では、各冷却流体通路264は、外側プレナム262から外側リング228及び外側リング内表面276を貫通して延びる。この例示的な実施形態では、通路264の中心線264は、タービン半径Rとほぼ平行に配向される。別の実施形態では、通路中心線278は、タービン半径Rに対して斜めに配向される。さらに、この例示的な実施形態では、各通路264は、同一の直径Dを有する。それに代えて、各通路264は、エンジン100が本明細書で説明したように機能するのを可能にするあらゆる形状、寸法及び/又は配向を有することができる。
この例示的な実施形態では、各翼形部212は、翼形部通路280を含む。各翼形部通路280の中心線282は、タービン半径Rとほぼ平行に配向される。それに代えて、通路中心線282は、タービン半径Rに対して斜めに配向される。この例示的な実施形態では、通路280は、各翼形部212の最大幅部分284を貫通して画成されて、翼形部212の外部幾何学形状が通路280によって変化しないようにする。それに代えて、通路280は、エンジン100が本明細書で説明したように機能するのを可能にするまた/又は翼形部212の外部幾何学形状が通路280に依存しないことを保証するあらゆる好適な位置において翼形部212内に形成することができる。
さらに、この例示的な実施形態では、各通路280は、同一の直径Dを有する。それに代えて、各通路280は、エンジン100が本明細書で説明したように機能するのを可能にするあらゆる形状、寸法及び/又は配向を有することができる。この例示的な実施形態では、直径Dは、直径Dよりも小さい。他の実施形態では、直径Dは、直径Dよりも大きいものとするか又は直径Dとほぼ等しいものとすることができる。さらに、この例示的な実施形態では、翼形部通路280の入口286は、外側リング通路264の出口288とほぼ整列しており、また翼形部通路280の出口290は、内側プレナム242と流体連通している。より具体的には、この例示的な実施形態では、翼形部通路中心線282は、外側リング通路中心線278とほぼ同軸である。それに代えて、中心線282は、中心線278に対してオフセットさせることができかつ/又は中心線278に対して斜めに配向することができる。
この例示的な実施形態では、外側リング出口288の数は、外側リング第1の部分270内に結合した翼形部212の数に等しい。同様に、出口244の数は、外側リング第1の部分270内に結合した翼形部212の数に等しい。別の実施形態では、外側リング出口288の数は、外側リング第1の部分270内に結合した翼形部212の数よりも多いか又はそれよりも少なく、また/或いは出口244の数は、外側リング第1の部分270内に結合した翼形部212の数よりも多いか又はそれよりも少ない。別の実施形態では、外側リング出口288の数は、外側リング第1の部分270内に結合した翼形部212の数に等しく、また/或いは出口244の数は、ダイアフラム204内に結合した翼形部212の数に等しい。さらに別の実施形態では、外側リング出口288の数及び/又は出口244の数は、翼形部212の数に依存しない。それに代えて、プレナム242及び/又は262、通路280、通路264、出口244並びに/或いはそれを貫通した通路280を含む翼形部212の数及び/又は寸法は、段200に供給される冷却流体236の量並びに/或いは通路280、通路264及び/又は出口244における流体236の速度を制御するように選択することができる。
エンジン100の運転時に、蒸気144は、高圧蒸気入口120を通してかつ主流路214に沿って高圧セクション102に送られ、また冷却蒸気のような冷却流体236は、外側リング228の近くでシェル106を貫通した1つ又はそれ以上のパイプ又は通路(図示せず)を介して段200に送られる。蒸気シール252により、蒸気144が外側プレナム262に流入するのを防止することが可能になり、かつ/又は流体236が外側プレナム262から主流路214内に吐出されるのを防止することが可能になる。蒸気144は、翼形部212間をバケット202に送られて、ロータシャフト140を回転させる。シール222、260及び/又は238は、蒸気144が主流路214に沿って移動するのを保証するのを可能にし、さらに高圧セクション102内での漏洩を防止するのを可能にする。
冷却流体236は、例えばシェル106及び/又は112の外部の冷却蒸気源、下流段(図示せず)、及び/又はエンジン100内の漏洩流などのようなあらゆる好適な冷却流体源から送ることができる。この例示的な実施形態では、冷却流体236は、外側プレナム262及び/又はチャネル272に流入し、通路264を通って外側リング228から吐出される。通路264から吐出された冷却流体236は、翼形部通路280に流入し、次に翼形部通路280を通して送られた後に、出口290から吐出される。冷却流体236は、通路280から内側プレナム242に流入する。冷却流体236は次に、出口244を通してホイールスペース216内に送られて、ホイール206及び/又はホイールスペース216を冷却するのを可能にする。この例示的な実施形態では、冷却流体236は、冷却流体236がロータシール234、シール238及び/又はバランス孔(図示せず)を通して主流路214に流入するのを可能にするあらゆる好適な漏洩流路に沿って、及び/又はエンジン100が本明細書で説明したように機能するのを可能にするあらゆるその他の好適な通路に沿ってホイールスペース216から吐出される。
上記の方法及び装置では、部品の外部幾何学形状、部品材料、並びに/或いは蒸気温度及び/又は圧力を変更せずに、蒸気タービン内部の回転部品を冷却することが可能になる。より具体的には、上記のダイアフラムは、バケット式蒸気タービンロータの信頼性がある長期間にわたる運転を可能にするのに必要な冷却蒸気を供給しながら、流路の物理的幾何学形状を制限するが物理的幾何学形状には何ら悪影響も与えない。
さらに、蒸気タービンのHP及びIPセクションにおいて使用する翼形部は伝統的に無孔セクションとなっていたが、上記の翼形部は、それを通して冷却流体を半径方向内向きに流すことができる通路を含む。従って、上記の翼形部により、流路内に蒸気流を阻害する配管を必要とせずに回転部品を冷却することが可能になる。さらに、翼形部の内部の通路は、翼形部の外部輪郭に影響を与えることはない。さらに、プレナム、通路、流路、並びに/或いは出口寸法及び/又はそれを貫通する通路を含む翼形部の数は、供給する冷却流体の量及び/又は通路、流路及び/又は出口における流体の速度を制御するように選択することができる。
さらに、上記のダイアフラムにより、ホイールスペース内の温度の一層の低下によって回転部品に隣接するホイールスペース内の流体を冷却することが可能になる。そのようなホイールスペース温度の低下により、隣接する回転部品の全体温度が低下する。さらに、ダイアフラムの半径方向外表面から外側リング、翼形部及び内側リングを通して半径方向内向きに冷却流体を送ることによって、それを貫通する冷却流体流路を含まないダイアフラムと比較して、外側リング、翼形部及び/又は内側リングの温度を低下させることが可能になる。上記の冷却流体流路では、未改良の公知の段幾何学形状により冷却蒸気流を供給してロータホイールを冷却する。
シール式外側及び/又は内側シェルの外側から流路におけるホイールスペースに冷却蒸気を持ち込む上記の方法では、蒸気流路内に配置されたパイプを含む設計と比較して、蒸気流路に対する幾何学形状の影響を最小にすることによってタービン性能に与える悪影響を最小化することが可能になる。
以上、蒸気タービン内の回転部品を冷却するための方法及び装置の例示的な実施形態について、詳細に説明している。本方法及び装置は、本明細書で説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、本方法及び装置の部品は、本明細書で説明した他の部品から独立してかつ別個に利用することができる。例えば、ダイアフラムはまた、他の蒸気タービンシステム及び方法と組合せて使用することができ、本明細書で説明したような高圧蒸気タービンセクションだけでの実施に限定されるものではない。むしろ、本発明は、多くの他の蒸気タービン冷却用途と組合せて実施しかつ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変更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。
100 蒸気タービンエンジン
102 高圧セクション
104 中圧(IP)セクション
106 シェル
108 下部半セクション
112 シェル
110 半セクション
114 下部半セクション
116 半セクション
118 中央セクション
120 高圧蒸気入口
122 中圧蒸気入口
134 環状のセクション仕切り壁
136 HPセクション入口ノズル
138 IPセクション入口ノズル
140 ロータシャフト
142 溝
144 高温度蒸気
146 再熱蒸気
200 第1タービン段
202 バケット
204 ダイアフラム
206 ロータホイール
208 列
210 列
212 翼形部
214 主流路
216 ホイールスペース
218 上流面
220 下流面
222 バケット先端シール
224 バケット先端
226 内側リング
228 外側リング
230 外側端部
232 内側端部
234 ロータシール
236 冷却流体
238 ホイールシール
240 上流側ホイール突出部
242 内側プレナム
244 出口
246 環状スロット
248 外表面
250 出口中心線
252 蒸気シール
254 インタフェース
256 ホイールシール
258 下流面
260 バケットシール
262 外側プレナム
264 冷却流体通路
266 環状スロット
268 外表面
270 外側リング第1の部分
272 チャネル
274 第2の部分
276 外側リング内表面
278 外側リング通路中心線
280 翼形部通路
282 通路中心線
284 最大幅部分
286 入口
288 外側リング出口
290 出口

Claims (10)

  1. 蒸気タービン(100)用の環状静止部品であって、
    その内部に画成された第1のプレナム(262)及び前記第1のプレナムと結合していて前記第1のプレナムから延びる複数の通路(264)を含む第1のリング(228)と、
    その内部に画成された第2のプレナム(242)及び1以上の出口(244)を含む第2のリング(226)と、
    第1のリングと第2のリングの間に延在する1以上の翼形部(212)と
    を備えており、第2のプレナム(242)が前記1以上の出口(244)と流体連通して結合しており、第2のリング(226)が第1のリング(228)の半径方向内側に配置されており、前記1以上の翼形部が、翼形部を貫通して翼形部の第1の端部から翼形部の第2の端部まで延びる通路(280)を含んでいて、前記翼形部の通路(280)が第1のリングの複数の通路(264)のうちの少なくとも1つの通路と結合しているとともに前記第2のプレナム(242)と結合しており、前記第1のリングの複数の通路(264)が第1の直径(D0)を有しており、前記翼形部の通路(280)が、前記第1の直径(D0)よりも小さい第2の直径(DA)を有している、静止部品。
  2. 第1のプレナム(262)が第1のリングの半径方向外表面(268)に形成され、第2のプレナム(242)が第2のリングの半径方向外表面(248)に形成されている、請求項1記載の静止部品。
  3. 第1のリング(228)の複数の通路(264)が、第1のプレナム(262)から第1のリングの半径方向内表面(276)まで延びる、請求項1又は請求項2記載の静止部品。
  4. 前記翼形部の通路(280)が前記第1のリングの通路(264)と同軸に整列している、請求項3記載の静止部品。
  5. 前記1以上の出口(244)が、当該静止部品の下流のホイールスペース(216)に冷却流体(236)を吐出するように構成されている、請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載の静止部品。
  6. 第2のリング(226)が、第2のリングを貫通して画成された複数の出口(244)を含んでおり、その出口の数が、第1のリング(228)と第2のリング(226)の間に延在する翼形部(212)の数に対応している、請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載の静止部品。
  7. 前記第1のリングの複数の通路(264)、前記翼形部の通路(280)及び前記第2のリングの複数の出口(244)が、冷却流体の流路を構成する、請求項1乃至請求項6のいずれか1項記載の静止部品。
  8. ロータシャフト(140)と、
    前記ロータシャフトに結合した1以上のロータホイール(206)と、
    前記1以上のロータホイールに結合した複数のバケット(202)と、
    請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載の静止部品であって、蒸気タービンケーシングに結合しかつ前記複数のバケットの上流に結合して、前記ロータホイールの上流面(218)と前記静止部品の下流面(220)との間にホイールスペース(216)を画成する静止部品と、
    少なくとも第1のリング、1以上の翼形部及び第2のリングを貫通して画成される冷却流体流路(264)であって、上記ホイールスペースに冷却流体を送るように構成された冷却流体流路(264)と
    を備える蒸気タービン(100)。
  9. 第1のリング(228)が、第1のプレナム(262)と主蒸気流路(214)との間に結合したシール(252)を備えており、前記主蒸気流路が、前記複数のバケット(202)及び静止部品を貫通して画成される、請求項8記載の蒸気タービン(100)。
  10. 前記前記第2のリングの複数の出口(244)が、前記第2のプレナム(242)から前記ホイールスペース(216)まで延びている、請求項8又は請求項9記載の蒸気タービン(100)。
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