JP5985748B2 - ターボ機械のための流入セグメント - Google Patents

Description

本発明はターボ機械に関するものであり、当該ターボ機械は、回転軸の周りを回転可能に取り付けられているロータと、ロータ上に配置されているロータブレードと、ロータの周囲に配置されているハウジングと、ハウジングに接して配置されているガイドベーンと、ロータとハウジングとの間に形成されている流路と、ハウジング内に配置されており、蒸気の流入のために形成されている流入部（Zustroemung）と、ハウジング内に配置されている流入セグメント（Einstroemsegment）と、流入セグメント内に配置されている流入セグメント‐ガイドベーンと、を備えている。

蒸気タービン等のターボ機械は、例えばエネルギー供給に使用される。基本的には、このようなターボ機械は、回転可能に取り付けられたロータと、回転可能に取り付けられたロータの周囲に配置されたハウジングとを備えている。一般的に、当該ハウジングは、内側ハウジングと、内側ハウジングの周囲に配置された外側ハウジングとに分けられる。このような構成のターボ機械のロータは、ロータブレードを備えており、当該ロータブレードは、内側ハウジングに接して配置されたガイドベーンの間に配置され、流路を形成しており、当該流路をフロー媒体（Stroemungsmedium）が通って流れる。ターボ機械が蒸気タービンとして構成されている実施形態の場合、蒸気がフロー媒体である。

ターボ機械に流入するフロー媒体は、比較的高い温度を有している。例えば、ターボ機械の実施形態が蒸気タービンである場合、蒸気は６００℃を超え得る温度に加熱されている。このように高い温度は、ターボ機械に大きな熱的負荷を与える。特に、フロー媒体の流入領域に配置されたターボ機械の部品が熱的に負荷を加えられる。加えて、ロータも同様に、特にフロー媒体がターボ機械に流入する箇所において、特に熱的負荷を加えられている。ターボ機械を運転可能にするためには、材料を適切に選択しなければならない。

とはいえ、それによって、ロータの使用範囲が限定されている。なぜなら、熱的負荷は所定の限界値までしか許容されかつ利用できないからである。例えば、温度が高すぎると、使用された材料の決定的な強度パラメータは、過度に低下する。ロータの材料が有する温度からは、シャフト内部における負荷に関して、又は、特に６０Ｈｚでは使用の制限につながり得るロータの周縁近傍領域における最大許容遠心力に関しても、例えばシャフトの最大許容直径が明らかになる。上記の点は、温度の低下によって改善される。温度の低下は、表面の冷却によって、又は、シャフト内部の冷却によって実現し、所定の材料の場合にロータの機械的な使用範囲を拡大するか、又は、別の場合には高価で費用を要する材料への交換を回避することができる。

現在のターボ機械は、ターボ機械の流入管に配置された流入セグメントを有している。当該流入セグメントは、ガイドベーンリングを有している。ターボ機械に流入する生蒸気は、まず当該流入セグメントのガイドベーンに接触する。一般的に、当該流入セグメントは、内側ハウジングに配置されている。流入セグメントによって得られる物理的な効果は、生蒸気の旋回が増大し、それによって、流入負荷軽減ノッチの温度低下効果がもたらされることにある。それによって、適度な冷却が得られ、第１のタービンブレード脚部及びシャフト内部の熱的負荷が軽減される。このような流入セグメントは、斜流段（Diagonalstufe）とも呼ばれる。

本発明の課題は、改善されたターボ機械を提供することにある。

本課題は、請求項１に記載のターボ機械によって解決される。

当該ターボ機械の本質的な特徴は、開口部が設けられていることにあり、当該開口部は、流入セグメント内に配置されており、流入部と、流入セグメントとロータとの間に配置された緩衝空間（Entlastungsraum）との間に流体接続を形成する。

本発明では、接線開口部（Tangentialbohrung）として形成された開口部を配置することによって、シャフト表面の温度をより大きく低下させることが提案されている。それによって、流入セグメント下方のフロー媒体のフローに、所定の円周速度が与えられる。それによって、シャフト表面には、所望の冷却効果が生じる。負荷軽減ノッチ内のシャフト表面の領域を、生蒸気の温度よりも低い温度で覆うことによって、第１のロータブレードクリップ（Laufschaufelklaue）下方のシャフト軸の領域においても温度の低下が生じる。

有利なさらなる構成は、下位請求項に記載されている。

第１の有利なさらなる構成において、開口部は、流入蒸気の一部が開口部を通り、流入蒸気の一部が流入セグメント‐ガイドベーンを通るように構成されている。

さらなる有利な構成において、流入セグメントはハブ側にリングセグメントを有しており、リングセグメント内には開口部が形成されている。

有利には、開口部は、流入蒸気が流れる方向に見て、流入セグメント‐ガイドベーンの上流に配置されている。それによって、蒸気の一部を、流入リングを貫流する直前に迂回させることができる。それによって、より良好な冷却が可能である。

有利には、開口部は、回転軸を通る径方向に対して、４０°から８０°の間である角度αの傾きを有している。それによって、最適な冷却効果が得られる。なぜなら、流入セグメントの下方に流入する蒸気の旋回が、可能な限り効果的な冷却にとって重要だからである。

有利なさらなる構成では、６つの開口部が形成されているが、この数は、その時々のジオメトリ、熱力学及び所望の冷却効果の高さの影響を受ける。

概略的な図面を用いて、実施例を基に、本発明を詳細に説明する。示されているのは以下の図である。

ターボ機械の一部の概略的断面図である。 流入リングの部分斜視図である。 流入リングの断面図である。

図１は、ターボ機械の一部を示している。図１に示されたターボ機械は、蒸気タービン１として構成されている。蒸気タービン１は、回転軸２の周りを回転可能に取り付けられているロータ３を有している。ロータ３は様々な直径を有している。ロータ表面４上には、ロータブレード５が配置されている。見やすくするために、１つのロータブレード５のみが図示されている。ロータブレード５は、ロータブレード脚部６を有しており、ロータブレード脚部６は、対応するロータノッチ７内に配置されている。ロータブレード脚部６に直接隣接したロータ材料は、ロータブレードクリップとも呼ばれる。

ロータ３の周囲には内側ハウジング８が配置されており、基本的に、また、様式に応じて、内側ハウジング８は、水平分割線より上側の内側ハウジング部分と下側の内側ハウジング部分とから、又は、対応して、垂直分割線より左側と右側との内側ハウジング部分から構成されている。内側ハウジング８の周囲には、外側ハウジング９が配置されている。内側ハウジング８と外側ハウジング９との間には、シール要素１０が配置されている。

内側ハウジング８は、詳細には図示されていない蒸気供給部によって流入部１１が形成されるように構成されている。この流入部１１を通じて、６５０℃まで、又はそれ以上の温度を有し得る生蒸気が供給される。さらに、内側ハウジング８はガイドベーン１２を支持しており、ガイドベーン１２は、ガイドベーン脚部１３を通じて、対応する内側ハウジングノッチ１４内に配置されている。

見やすくするために、１つのガイドベーン１２のみが図示されている。内側ハウジング８とロータ３との間には、流路１５が形成されており、流路１５は、ガイドベーン１２及びロータブレード５によって形成されている。ロータ３はスラスト平衡ピストン１６で構成されており、スラスト平衡ピストン１６は概ねより大きな直径を有している。スラスト平衡ピストン１６の表面１７と内側ハウジング８との間には、シャフトシール部１８が形成されている。回転方向に見てスラスト平衡ピストン１６の上流において、ロータ２はより小さい直径を有しており、この部分には第２のシャフトシール部１９が配置されている。

流入部１１は、蒸気を流入させるために設けられており、それに対応して構成されている。内側ハウジング８は、当該領域に突起２０を有しており、突起２０には流入セグメント２１が配置されている。流入セグメント２１は実質的にリングとして形成されており、内側ハウジング８内に取り付けられている。流入セグメント２１の外径において、流入セグメント２１はノッチ２２に嵌め込まれている。流入セグメント２１はハブ側にリングセグメント２３を有しており、リングセグメント２３は、第２のシール要素２４を介して、内側ハウジング８に接続されている。このために、ハブ側のリングセグメント２３はシールノッチ２５を有しており、シールノッチ２５には、第２のシール要素２４が嵌め込まれている。さらに、内側ハウジング８は同様にノッチ２６を有しており、ノッチ２６内には、第２のシール要素２４のもう一方の端部が配置されている。流入セグメント２１は流入セグメント‐ガイドベーン２７を有しており、流入セグメント‐ガイドベーン２７は流入セグメント２１と一体的に構成されている。ロータ３は負荷軽減ノッチ２８で構成されており、負荷軽減ノッチ２８は、主に、直径がより小さいことを特徴としており、流入セグメント２１に対して径方向にある程度の距離を有しており、それによって緩衝空間３０が形成される。取り付けられた状態における流入セグメント２１は、シール要素及び取り付け状況によって、流入管１１を緩衝空間３０から技術的に蒸気を漏らさずに確実に離隔する。開口部２９は、流入セグメント２１内のハブ側リングセグメント２３に配置されている。開口部２９は、流入部１１と、流入セグメント２１とロータ３との間に形成された緩衝空間３０との間に流体接続を形成する。

運転中、質量流（M_ges）が流入部１１に流入する。当該質量流は、開口部２９を通過して緩衝空間３０に到達する小さい方の質量流（M₁）と、流入セグメント‐ガイドベーン２７を通過した後、流路１５を通過する大きい方の質量流（M₂）とに分かれる。M_ges=M₁+M₂であり、このとき、M₁＜＜M₂である。さらに、開口部２９を通過する質量流M₁は、質量流M₁₁に分かれ、当該質量流は、第２のシャフトシール部１９を経由してスラスト平衡ピストン副室３１に到達する。質量流M₁の残りの部分は、第２の質量流M₁₂として、ハブ側のリングセグメント２３に沿って流路１５に到達する。

質量流M₁₁+M₁₂は、M_gesよりも低い温度を有しているので、負荷軽減ノッチ２８内のロータ表面の冷却がもたらされる。

開口部２９は、流入蒸気の流れる方向３２に見て、流入セグメント‐ガイドベーン２７の上流に配置されている。

図２は、流入セグメント２１の一部を示している。図２に示された視点は、回転軸２から径方向において外に向けて見たものである。示された視点では、複数の流入セグメント‐ガイドベーン２７が認識される。ハブ側のリングセグメント２３は、略三角形に形成されており、シール要素２４を受容するためのノッチ２５を有している。図２は、流入セグメント２１の斜視図であり、ハブ側のリングセグメント２３の内側表面３３が視認できる。開口部２９の出口３４は、この内側表面３３上に形成されている。

図３は、流入セグメント２１の断面図である。見やすくするために、１つの流入セグメント‐ガイドベーンにのみ、参照符号２７が付されている。選択された実施例では、６つの開口部２９が形成されており、当該開口部は、接線方向において、緩衝空間３０に対して角度αを成している。ロータ３の回転方向は、反時計回りである。例えば、１２時の位置において、開口部２９が成す角度がαとして示されている。回転軸２から、径方向において、基準線３５が示されている。４０°から８０°の間である角度αで開口部が形成される。開口部２９を質量流M₁が通って流れる。旋回することで蒸気の速度が変化し、回転系に関して、蒸気の静温度の低下が生じる。これによって、質量流M_gesの温度に対するロータ３の表面の冷却がもたらされる。

１ 蒸気タービン
２ 回転軸
３ ロータ
４ ロータ表面
５ ロータブレード
６ ロータブレード脚部
７ ロータノッチ
８ 内側ハウジング
９ 外側ハウジング
１０ シール要素
１１ 流入部
１２ ガイドベーン
１３ ガイドベーン脚部
１４ 内側ハウジングノッチ
１５ 流路
１６ スラスト平衡ピストン
１７ 表面
１８ シャフトシール部
１９ 第２のシャフトシール部
２０ 突起
２１ 流入セグメント
２２ ノッチ
２３ リングセグメント
２４ 第２のシール要素
２５ シールノッチ
２６ ノッチ
２７ 流入セグメント‐ガイドベーン
２８ 負荷軽減ノッチ
２９ 開口部
３０ 緩衝空間
３１ スラスト平衡ピストン副室
３２ 流入蒸気の流れる方向
３３ 内側表面
３４ 出口
３５ 基準線

Claims (7)

1. ‐回転軸（２）の周りを回転可能に取り付けられているロータ（３）であって、前記ロータ（３）上にはロータブレード（５）が配置された、ロータ（３）と、
   ‐前記ロータ（３）の周囲に配置されたハウジング（８、９）であって、前記ハウジング（８、９）内にはガイドベーン（１２）が取り付けられた、ハウジング（８、９）と、
   ‐前記ロータ（３）と前記ハウジング（８、９）との間に構成された流路（１５）と、
   ‐前記ハウジング（８、９）内に配置されかつ蒸気を流入させるために構成された流入部（１１）と、
   ‐前記ハウジング（８、９）に取り付けられた流入セグメント（２１）と、
   ‐前記流入セグメント（２１）と一体的に構成された流入セグメント‐ガイドベーン（２７）と、
   を備えたターボ機械において、
   開口部（２９）が、前記流入セグメント（２１）内に配置されていると共に、前記流入部（１１）と前記流入セグメント（２１）及び前記ロータ（３）の間に配置された緩衝空間（３０）との間に流体接続を形成していること、
   前記開口部（２９）が、前記回転軸（２）を通る径方向に対して、４０°から８０°の間である角度αの傾きを有していること、
   を特徴とするターボ機械。
2. 前記開口部（２９）が、流入蒸気の一部が前記開口部（２９）を通り、前記流入蒸気の一部が前記流入セグメント‐ガイドベーン（２７）を通るように構成されている、請求項１に記載されたターボ機械。
3. 前記流入セグメント（２１）が、ハブ側にリングセグメント（２３）を有しており、前記リングセグメント内に前記開口部（２９）が形成されている、請求項１又は２に記載のターボ機械。
4. 前記開口部（２９）が、流入蒸気の流れる方向（３２）に見て、前記流入セグメント‐ガイドベーン（２７）の上流に配置されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のターボ機械。
5. ６つの開口部（２９）が形成されている、請求項１に記載のターボ機械。
6. 前記ハウジングが内側ハウジング（８）として形成されており、前記内側ハウジング（８）の周囲には、外側ハウジング（９）が配置されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のターボ機械。
7. 蒸気タービン（１）として構成されている請求項１から６のいずれか一項に記載のターボ機械。

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