JP6022677B2 - 蒸気タービン用ロータ - Google Patents

Description

本発明はターボ機械のためのロータに関する。
本発明はさらに、蒸気タービンに関する。

電力の局地的供給に用いられ、かつターボ機械の一実施形態と見られる蒸気タービンは総じて大きく、よって重い。そのような蒸気タービンは１００トンを優に超える。蒸気タービンは、シャフトとも称される、本質的に回転可能に取り付けされた構成要素を備える。このシャフトは、 該シャフトの表面に配列固定された複数のロータブレードを備える。そのようなシャフトはケーシング内に回転可能に取り付けられており、ケーシングは複数のガイドベーンを備える。これらガイドベーンは、ロータブレードとともにタービンステージを構成している。

動作中、蒸気タービンの前記シャフトは、好ましくは 50 Hz 又は 60 Hz で回転する。このような高い回転周波数 (rotational frequency) はロータブレードに莫大な遠心力を引き起こす。特に、低圧蒸気タービンのエンドステージ (end stage) は相応に大きく、従って特に大きな遠心力が生じる。

技術的な理由で、蒸気タービンの前記シャフトは定速回転で運転される。それにも拘らず比較的大きなエンドステージを構成するために、遠心力をできるだけ小さくするよう低密度材料が用いられる。そのような材料の一例はチタンである。チタンがエンドステージで用いられることがある。固定回転数を減少させる、例えば半分の回転数となるようにする、その他の解決法もあるかも知れない。変速装置を用いて回転周波数を減少させることも可能であろう。

本発明の目的は、比較的高速の回転に適した、ターボ機械のためのシャフトを提案することである。

この目的は、遊星歯車装置を備えた、ターボ機械のためのロータによって達成される。前記遊星歯車装置は、ロータの周りに配されかつ回転可能に取り付けられたリングギアを備える。該リングギアは、複数の内部遊星歯車と噛合する内歯と、シャフトの周りにもうけられかつ前記遊星歯車が回転可能に配置された遊星ディスクを有する。前記シャフトは、前記遊星歯車と噛合する太陽歯車、及び、前記遊星ディスク上に配された複数のロータブレードを有したロータディスクを有する。

従って本発明は、前記シャフトの回転数を変えるのではなく、シャフト上にロータブレードを備えた特にエンドステージに解決の途を見出したものある。このため遊星歯車装置が考慮されている。遊星歯車装置は、前記シャフトの回転数が、前記ロータブレードの設けられた前記遊星ディスクの回転数まで減少するので有利である。これにより、エンドステージのロータブレードに発生する遠心力は実質的に小さくなる。この結果、一例として上述したチタン材料の代わりに、より重いものではあるが、鉄などのより強度の高い別の材料を用いることが可能となる。

エンドステージの回転数が低減されることにより、遠心力は物理的に制限されるたため、このエンドステージを断面をより大きなものとすることが可能となる。低密度材料を選択した場合には、これまでの遊星歯車装置を用いない解決法同様、トレーリング断面はさらに大きくすることができる。

有利な構成は引用請求項に記載されている。

第一の有利な構成において、前記遊星歯車装置は前記シャフトに対してシールされている。本発明によれば、このシールは、前記シャフトと、前記遊星ディスク又は前記ロータディスクとの間にオイルシールを用いることによって有効なものとされている。同様に、本発明の別の実施形態においては、前記シャフトと前記ディスクとの間にスチームシールを設けることも可能である。運転中に流れる蒸気は、フローダクトのみを流れるようして、出来るだけ損失を小さくすべきである。そうして、上述した回転要素と固定要素との間からの漏洩は生じないようすべきである。

一つの有利な構成において、前記遊星歯車装置は少なくとも４つの遊星歯車を有している。これにより前記シャフトは安定性が増し、かつ該遊星歯車装置の故障リスクは低減する。

本発明によれば、前記シャフトは、単流蒸気タービン及び複流蒸気タービンの何れにも用いることができる。以下、例示的な実施形態を参照して本発明をより詳細に説明する。

シャフトのための遊星歯車装置を示す斜視図である。 本発明による最終段を備える蒸気タービンの断面図である。

図１は、いくつかの個々の部品から構成された遊星歯車装置１を示している。該遊星歯車装置１は、内側に複数の歯を有した一つのリングギア２を備える。該リングギア２の直径はシャフト３の直径よりも大きい。前記シャフト３は太陽歯車４を備え、太陽歯車４は外周に複数の歯５をもつ。図１においては、簡単のため、二つの歯のみに符号５を付してある。前記太陽歯車４のこれらの歯５は、遊星歯車６の対応する歯と噛合する。

これら遊星歯車６、リングギア２、及び太陽歯車４は従って一つの平面内に配置されている。

前記遊星歯車６は遊星ディスク７によって、該遊星ディスク７上で回転可能となるように保持されている。前記リングギア２は、回転固定されている。つまり、該リングギア２は、ケーシング１１に動かないように固定することが可能である。

このように、前記太陽歯車４のシャフト３の回転８は前記遊星歯車６に伝達される。これにより該遊星歯車６は回転軸周りに回転する。このとき、前記遊星歯車６が前記リングギア２に噛合しているので、前記遊星ディスク７が動き出す。前記遊星ディスク７は回転し、図中矢印９で示す回転を生ず。リングギア２及び遊星歯車６の径を適正に設定することで、前記遊星ディスク７の回転数をシャフト３の回転数に対して大きく低減させることができる。第一の実施形態において、前記ロータブレード１７はそれぞれ前記遊星ディスク７に配設されている。

別の実施形態においては、ロータディスク６は遊星ディスク７に嵌合取り付けされる。ロータブレード１７（図１には図示されず）が前記ロータディスク１６に取り付けられる。ブレードステージを構成するさらなるロータブレード１８はロータに設けられ、かつ、前記遊星歯車装置に接続された前記ロータブレードよりも高い回転数で回転する。ロータに固定接続された前記さらなるロータブレード１８は、前記遊星歯車装置に接続されたロータブレード１７の、主流の流れ方向１９における上流に設けられている。簡単のため、図２においてはブレードステージを一つのみ図示している。

図２は、ターボ機械１０における前記遊星歯車装置１の構成を示している。蒸気タービンを一例とした該ターボ機械１０は、ケーシング１１を備え、該ケーシング１１の内側に複数のガイドベーン１２が設けられている。図２においてはガイドベーンを２つのみ、符号１２で示してある。残りのガイドベーンについては簡単のため図示を省略してある。前記シャフト３と前記ケーシング１１との間に流れダクト１３が形成されている。該流れダクト１３は、図示しない種々のガイドベーン及びロータブレードから構成されている。蒸気は、入口開口１４から該蒸気タービン内に流れ込み、この流れダクト１３を流れる。前記シャフト３は回転軸線１５回りに回転する。この回転数はほぼ一定である。前記遊星歯車装置１によって、前記遊星ディスク７はより低い回転数で回転する。遊星ディスク７には、エンドステージのロータブレード１７を備えたロータディスク１６が設けられている。これらのロータブレード１７には、ロータブレード１７が前記シャフトの表面に直接配置されている場合よりも小さい遠心力しか発生しない。

図２に示した蒸気タービンは単流蒸気タービンである。すなわち、前記流入開口１４から前記流れダクト１３に入った蒸気は一方向のみに流れる。本発明は、複流蒸気タービンにも同様に適用することができる。これは、流入開口から蒸気タービンに入った蒸気が、さらに、１８０°別々の流れ方向を持った二つの流れチャネルを流れることを意味する。そのような複流蒸気タービンにおいて、本発明によるエンドステージの各々構成するために、二つの遊星歯車装置１を用いることが可能である。これは、複流蒸気タービンのエンドステージの回転数が、その低い回転数の結果として、遊星歯車装置を持たない同じエンドステージと比べ遠心力が低減されるよう構成されることを意味するものである。

１ 遊星歯車装置
２ リングギア
３ シャフト
４ 太陽歯車
６ 遊星歯車
７ 遊星ディスク
１６ ロータディスク
１７ ロータブレード

Claims (8)

1. シャフト（３）と、該シャフト（３）周りに設けられ、回転に対して固定的に設けられたリングギア（２）とを備えた遊星歯車装置（１）を備えたターボ機械（１０）のためのロータにおいて、
   前記リングギア（２）は、内部の複数の遊星歯車（６）と噛合する複数の内歯を有し、
   前記シャフト（３）回りに設けられた遊星ディスク（７）であって、該遊星ディスクに複数の前記遊星歯車（６）が回転自在に設けられた前記遊星ディスク（７）を有し、
   前記シャフト（３）が、複数の前記遊星歯車（６）と噛合する太陽歯車（４）と、前記遊星ディスク（７）に設けられた複数のロータブレード（１７）とを有し、
   前記遊星ディスク（７）がロータディスク（１６）に接続され、
   前記ロータブレード（１７）は前記ロータディスク（１６）に設けられており、
   さらなるロータブレード（１８）より構成されたロータブレード段が、前記ロータに固定して設けられてなる、ターボ機械のためのロータ。
2. 請求項１記載のロータにおいて、
   前記遊星ディスク（７）が前記シャフト（３）に対してシールされているロータ。
3. 請求項２記載のロータにおいて、
   前記シャフト（３）と前記遊星ディスク（７）との間にオイルシールが設けられているロータ。
4. 請求項２記載のロータにおいて、
   前記シャフト（３）と前記遊星ディスク（７）との間に蒸気シールが設けられているロータ。
5. 請求項１ないし４の何れか一項のロータにおいて、少なくとも４つの前記遊星歯車（６）が設けられてなるロータ。
6. 請求項１ないし５の何れか一項記載のロータにおいて、前記遊星歯車（６）、前記太陽歯車（４）、及び前記リングギア（２）の寸法は、前記シャフトの回転数が前記遊星ディスク（７）の回転数よりも大きくなるよう設定されているロータ。
7. 請求項１ないし６の何れか一項記載のロータを有した蒸気タービン。
8. 請求項７記載の蒸気タービンにおいて、
   前記蒸気タービンは複流構成であり、かつ、各流れチャネルが、請求項１ないし６の何れか一項で規定された遊星歯車装置（１）を有してなる蒸気タービン。

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